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1、量子光学基础2023/1/291本讲稿第一页，共六十五页本章主要讲解五个方面问题：本章主要讲解五个方面问题：1 1）黑体辐射的实验规律）黑体辐射的实验规律2 2）普朗克能量子假设）普朗克能量子假设3 3）光电效应与爱因斯坦光子理论）光电效应与爱因斯坦光子理论4 4）康普顿效应）康普顿效应5 5）光的波粒二象性）光的波粒二象性本讲稿第二页，共六十五页黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律1 1、热辐射、热辐射 在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能量辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能
2、量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称之为因此，这种辐射就称之为热辐射热辐射，或者称为，或者称为温度辐射温度辐射。另外，一切物体在向外界发射辐射能的同时也吸收周围物另外，一切物体在向外界发射辐射能的同时也吸收周围物体发出的辐射能。体发出的辐射能。本讲稿第三页，共六十五页 以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度 T 800 K时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯丝由暗红变橙黄，再时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色，即达到所谓的变白
3、，当温度极高时，灯丝呈青白色，即达到所谓的“白炽化白炽化”，同时我们感到灯丝灼热逼人。以上事例说明：，同时我们感到灯丝灼热逼人。以上事例说明：温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。本讲稿第四页，共六十五页2 2、单色辐出度（旧称：单色发射本领）、单色辐出度（旧称：单色发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）【单色辐出度单色辐出度】在一定温
4、度下，物体在在一定温度下，物体在单位时间内，从单单位时间内，从单位表面积上发射的波长在位表面积上发射的波长在+范围内的辐射能为范围内的辐射能为dE 。本讲稿第五页，共六十五页2 2、单色辐出度（旧称：单色发射本领）、单色辐出度（旧称：单色发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）辐射出射度（旧称：发射本领）【辐射出射度辐射出射度】在一定温度下，物体在在一定温度下，物体在单位时间内、从单单位时间内、从单位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为M(T)。本讲稿第六页，共六十五页3 3 3 3、绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体-一一个个物物体体如如果果能能完完全全
5、吸吸收收投投射射到到其其表表面面的的任任何何波波长长的的辐辐射射能能，即即不不反反射射，也也不不透透射射，我我们们称称这这种种物体为物体为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体黑体黑体。绝绝对对黑黑体体是是一一种种理理想想化化的的模模型型。但但用用不不透透明明的的材材料料制制成成的的一一个个有有小小孔孔的的空空腔腔，可可以以视视为为绝绝对对黑黑体体。如如：山洞、窗口、炉膛等。山洞、窗口、炉膛等。本讲稿第七页，共六十五页本讲稿第八页，共六十五页 斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律维恩维恩(W.Wien,1864-192
6、8)(W.Wien,1864-1928)德国物理学家，德国物理学家，19111911年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖本讲稿第九页，共六十五页如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.49 0.49 m m T=5900KT=5900K 维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。本讲稿第十页，共六十五页如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同5900K5900K的黑体辐射曲线
7、类似。太阳光穿入大气层时被大气的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。在紫外区强烈吸收太阳辐射。本讲稿第十一页，共六十五页人体体温人体体温310K(370C)m=9.35 m“辐射高温计辐射高温计”，“炉火炉火纯青纯青”等等等等宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m0.1cm T=2.7K本讲稿第十二页，共六十五页【例题】【例题】在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长为为490 nm，设太阳为黑体，求：，设太阳为黑体，求：太阳表面
8、温度太阳表面温度 T；太太阳表面单位面积的辐射功率？阳表面单位面积的辐射功率？本讲稿第十三页，共六十五页本章主要讲解五个方面问题：本章主要讲解五个方面问题：1 1）黑体辐射的实验规律）黑体辐射的实验规律2 2）普朗克能量子假设）普朗克能量子假设3 3）光电效应与爱因斯坦光子理论）光电效应与爱因斯坦光子理论4 4）康普顿效应）康普顿效应5 5）光的波粒二象性）光的波粒二象性本讲稿第十四页，共六十五页普朗克能量子假设普朗克能量子假设 在在19世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐出度出度MB(T)与与(,T)的关系曲线。如何从理论上推导出符合的关系曲线
9、。如何从理论上推导出符合实验结果的实验结果的MB(T)函数表达式，就成为当时物理学中引人注函数表达式，就成为当时物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。体的辐射规律给予解释。本讲稿第十五页，共六十五页瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)MB 试验曲线试验曲线长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合“紫外灾难紫外灾难”短波范围与实验符合，而在长短波范围与实验符合，而在长波范围内不符合波范围内不符合 与实验符合与实验符合本
10、讲稿第十六页，共六十五页紫外灾难紫外灾难本讲稿第十七页，共六十五页普朗克公式的得来普朗克公式的得来,起初是半经验的起初是半经验的,即利用内插法将适用于短波的维恩公即利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来金斯公式衔接起来,在得到了公式后在得到了公式后,普朗克才设普朗克才设法从理论上去论证它。法从理论上去论证它。为解释这一公式，普朗克提为解释这一公式，普朗克提出了出了能量量子化能量量子化假设假设MB 试验曲线试验曲线普朗克公式普朗克公式普朗克常数普朗克常数本讲稿第十八页，共六十五页 普朗克（普朗克（M.Planck,1858-1947M.Planck
11、,1858-1947）德国理论物德国理论物理学家，量子论的奠基人，被德国科学界誉为理学家，量子论的奠基人，被德国科学界誉为“帝国的科学首相帝国的科学首相”。早在。早在18991899年，普朗克在年，普朗克在研究辐射热力动力学时，就提出了一个新的普研究辐射热力动力学时，就提出了一个新的普适常数适常数h h，该常数后来称为基本作用量子，现称，该常数后来称为基本作用量子，现称普朗克常数。普朗克常数。普普朗朗克克于于18581858年年4 4月月2323日日出出生生于于德德国国基基尔尔。从从小小就就在在音音乐乐、文文学学及及数数学学等等方方面面显显露露了了才才华华，但但最最终终选选择择了了科科学学。1
12、8771877年年在在柏柏林林大大学学获获得得博博士士学学位位，先先后后在在多多座座大大学学任任教教。18891889年年接接替替导导师师基基尔尔霍霍夫夫继继任任柏柏林林大大学学科科学学讲讲座座教授，直到教授，直到19261926年退休。年退休。本讲稿第十九页，共六十五页 1900190019001900年年年年12121212月月月月14141414日他在德国物理学会上，宣读了以关于日他在德国物理学会上，宣读了以关于日他在德国物理学会上，宣读了以关于日他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的正常光
13、谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出黑体辐射能量的分布公式。劳厄称这一天量子化假设，并导出黑体辐射能量的分布公式。劳厄称这一天量子化假设，并导出黑体辐射能量的分布公式。劳厄称这一天量子化假设，并导出黑体辐射能量的分布公式。劳厄称这一天是是是是“量子论的诞生日量子论的诞生日量子论的诞生日量子论的诞生日”。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，它揭示了微观世普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。假设具有界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。假设具有划时代的
14、意义，于划时代的意义，于19181918年普朗克年普朗克6060岁时被授予岁时被授予NobelNobel物理学奖，物理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。本讲稿第二十页，共六十五页 普朗克的一生与音乐结下了不解之普朗克的一生与音乐结下了不解之缘，他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥缘，他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥家。直到他逝世的当天，仍像平时那样每家。直到他逝世的当天，仍像平时那样每天弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性天弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性思维的发展。思维的发展。1947 1947年年1010月月4 4日普朗克在哥廷根逝世，日普朗克在哥廷
15、根逝世，享年享年8989岁。他的坟墓上只有一块长方形岁。他的坟墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下部刻了条石，上部刻了他的名字，下部刻了“h=6.62h=6.62 10-27erg.s”10-27erg.s”的字样。的字样。本讲稿第二十一页，共六十五页普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js 与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是 hv 的的整数倍整数倍 能量量子假设。能量量子假设。电电磁磁波波腔壁上的原子腔壁上的原子能能量量普朗克常数普朗克常数h 体现了微观世界的基本特征。体现了微观世界的基本特
16、征。若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是本讲稿第二十二页，共六十五页 量子假说与物理学界几百年来信奉的量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳自然界无跳跃跃”的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普朗克本人也曾几度朗克本人也曾几度(前后花费前后花费1515年时间年时间)想倒退，回到经想倒退，回到经典物理学的立场上去。但是，典物理学的立场上去。但是，“无济于事，我们必须与无济于事，我们必须与量子理论共处量子理论共处”。普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连续的量子性质，开
17、始突破了经典物理学在微观领域内的束续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。本讲稿第二十三页，共六十五页本章主要讲解五个方面问题：本章主要讲解五个方面问题：1 1）黑体辐射的实验规律）黑体辐射的实验规律2 2）普朗克能量子假设）普朗克能量子假设3 3）光电效应与爱因斯坦光子理论）光电效应与爱因斯坦光子理论4 4）康普顿效应）康普顿效应5 5）光的波粒二象性）光的波粒二象性本讲稿第二十四页，共六十五页 1887年，年，赫兹赫兹在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。1900年，
18、年，赫兹的同事赫兹的同事勒纳德（勒纳德（P.Lenard）指出：光电效应是金属中电子吸收入射光指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。的能量而从表面逸出的现象。1905年，伟大的物理学家年，伟大的物理学家爱因斯坦爱因斯坦从理论上从理论上对光电效应作出了科学的解释。对光电效应作出了科学的解释。光电效应与爱因斯坦光子理论光电效应与爱因斯坦光子理论本讲稿第二十五页，共六十五页1 1、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律 紫外光紫外光+本讲稿第二十六页，共六十五页 饱和光电流与入射光强成正比。饱和光电流与入射光强成正比。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。光电子最大初
19、动能与光强无关，与入射光频率有关。从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小于于10-9秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。紫外光紫外光+本讲稿第二十七页，共六十五页2 2、经典电磁场理论的困难、经典电磁场理论的困难 在金属内部有许多自由电子，这些自由电子虽然在不在金属内部有许多自由电子，这些自由电子虽然在不停地作无规则的热运动，但由于受晶格点阵中正电荷的吸停地作无规则的热运动，但由于受晶格点阵中正电荷的吸引，不能逸出金属表面。也就是说，金属内部自由电子的引，不能逸出金属表面。也就是说，金属内部自
20、由电子的平均能量比飞出金属表面电子的能量要低。如果金属内的平均能量比飞出金属表面电子的能量要低。如果金属内的自由电子能获得足够多的能量，就能逸出金属表面。使金自由电子能获得足够多的能量，就能逸出金属表面。使金属内部一个自由电子逸出金属表面所需要的最小能量叫做属内部一个自由电子逸出金属表面所需要的最小能量叫做这种金属的这种金属的逸出功逸出功。本讲稿第二十八页，共六十五页单个孤立原子单个孤立原子+-大量原子组成晶体后大量原子组成晶体后外层电子能级外层电子能级内层电子能级内层电子能级+-本讲稿第二十九页，共六十五页 按按照照经经典典电电磁磁波波理理论论，光光的的强强度度越越大大，光光波波电电矢矢量量
21、E的的幅幅度度越越大大，作作用用在在金金属属内内电电子子的的强强迫迫力力越越大大，光光电电子子获获得得的的能能量量也也越越大大，逸逸出出金金属属后后的的初初动动能能也也越越大大，但但实实验验事事实实是是光光电电子子最最大大初初动动能能与与光光强强无无关关，与入射光的频率有关与入射光的频率有关。按按照照经经典典电电磁磁波波理理论论，光光波波是是连连续续传传播播的的，金金属属中中的的电电子子将将连连续续不不断断地地从从入入射射波波中中吸吸收收能能量量，只只要要入入射射光光波波有有足足够够的的强强度度，就就能能够够提提供供电电子子足足够够的的能能量量，也也就就是是说说，光光的的波波动动理理论论不不能
22、能解解释释“红红限限频频率率”的存在。的存在。按按照照经经典典电电磁磁波波理理论论，金金属属中中的的电电子子从从入入射射波波吸吸收收能能量量需需要要积积累累到到一一定定量量值值才才能能逸逸出出金金属属表表面面。入入射射光光愈愈弱弱，能能量量积积累累的的时时间间愈长。然而愈长。然而实验中并没有观察到可察觉的时间延迟实验中并没有观察到可察觉的时间延迟。本讲稿第三十页，共六十五页但实验结果却是：无论入射光如何微弱，只要频率大于但实验结果却是：无论入射光如何微弱，只要频率大于红限频率，光电子几乎立刻就发射出来。红限频率，光电子几乎立刻就发射出来。估算：设阴极由金属钾估算：设阴极由金属钾 K K（逸出功
23、（逸出功2.3 eV2.3 eV）制成）制成单色点光源单色点光源P=1WP=1W3m3m本讲稿第三十一页，共六十五页 1905 1905年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象集中成一团，年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象集中成一团，即所谓的即所谓的光子光子。当光子射向金属表面时，入射光子与金属中的电子碰。当光子射向金属表面时，入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子的能量撞，电子吸收一个光子的能量hh，一部分用来克服金属对它的束缚，一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在逸出功即消耗在逸出功W W上，另一部分转化为电子离开金属表面后的初动能。上，另一部分转化为电子离开金属表面后的
24、初动能。3 3、爱因斯坦光电效应方程、爱因斯坦光电效应方程本讲稿第三十二页，共六十五页哈哈，我赢了本讲稿第三十三页，共六十五页爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：可以解释饱和光电流与入射光强成正比可以解释饱和光电流与入射光强成正比（光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大）；（光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大）；可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系（从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系）；（从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系）
25、；可以解释可以解释“红限频率红限频率”的存在的存在（从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率）（从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率）；可以解释光电效应的瞬时性问题可以解释光电效应的瞬时性问题（电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积）。（电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积）。本讲稿第三十四页，共六十五页金属金属逸出功逸出功WW（电子伏特）（电子伏特）极限波长极限波长 maxmax（微米）（微米）钾钾 K K2.252.250.5510.551钠钠 Na Na2.292.290.5410.541锂锂 Li Li2.692.690
26、.4610.461钙钙 Ca Ca3.203.200.3870.387镁镁 Mg Mg3.673.670.3380.338铬铬 Cr Cr4.374.370.2840.284钨钨 W W4.544.540.2740.274铜铜 Cu Cu4.364.360.2840.284银银 Ag Ag4.634.630.2680.268金金 Au Au4.804.800.2580.258若干金属的逸出功若干金属的逸出功WW、和、和 maxmax本讲稿第三十五页，共六十五页4 4、爱因斯坦光子理论、爱因斯坦光子理论 一一束束光光就就是是一一粒粒一一粒粒以以光光速速C运运动动的的粒粒子子流流，这这种种光光粒粒
27、子称为子称为光量子光量子，简称为，简称为光子光子；单个光子携带的能量为单个光子携带的能量为=h；光强为光强为I 的光束，的光束，I=Nh，N为光子数为光子数本讲稿第三十六页，共六十五页利用光电效应中光电流与入射光利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性，可以制造光电强成正比的特性，可以制造光电转换器，实现光信号与电信号之转换器，实现光信号与电信号之间的相互转换。这些光电转换器间的相互转换。这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。和自动控制等诸多方面。本讲稿第三十七页，共六十五页【例题】
28、【例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那么入射光的波，那么入射光的波长是长是 nm。本讲稿第三十八页，共六十五页【例题】【例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是最大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那么入射，那么入射光的波长是光的波长是 nm。本讲稿第三十九页，共六十五页本章主要讲解五个方面问题：本章主要讲解五个方面问题：1 1）黑体辐射的实验规律）黑体辐射的实验规
29、律2 2）普朗克能量子假设）普朗克能量子假设3 3）光电效应与爱因斯坦光子理论）光电效应与爱因斯坦光子理论4 4）康普顿效应）康普顿效应5 5）光的波粒二象性）光的波粒二象性本讲稿第四十页，共六十五页当光束通过光学性质不均匀的介质（如：雾、含有悬浮微粒的液体等）当光束通过光学性质不均匀的介质（如：雾、含有悬浮微粒的液体等）时，会发生部分光线偏离原来传播方向的现象，从而从侧面可以看到光时，会发生部分光线偏离原来传播方向的现象，从而从侧面可以看到光的现象，称为的现象，称为光的散射光的散射光的散射光的散射。光的颜色偏红光的颜色偏红白光白光光的颜色偏蓝光的颜色偏蓝悬浊液（微粒线度小于波长）悬浊液（微粒
30、线度小于波长）如：在清水中加入少量牛奶如：在清水中加入少量牛奶康普顿效应康普顿效应(康普顿散射康普顿散射)本讲稿第四十一页，共六十五页瑞利曾对光散射现象进行了较系统研究，发现：瑞利曾对光散射现象进行了较系统研究，发现：波长较短的蓝光散射较强，而波长较长的红色光穿透波长较短的蓝光散射较强，而波长较长的红色光穿透力较强。力较强。例如：例如：“红日、朝阳、夕阳红日、朝阳、夕阳”（短波部分被大气层散射，（短波部分被大气层散射，呈红色）；呈红色）；“红外线更适合于远距离摄影和遥感技术红外线更适合于远距离摄影和遥感技术”；“蓝色的天空蓝色的天空”（短波部分被散射到人眼，呈蓝色）；（短波部分被散射到人眼，呈
31、蓝色）；本讲稿第四十二页，共六十五页 根据经典电磁理论，当频率为根据经典电磁理论，当频率为 的电磁波通过物质时，的电磁波通过物质时，将引起物质内部带电粒子作同频率的受迫振动，即：受将引起物质内部带电粒子作同频率的受迫振动，即：受迫振动的频率等于入射光的频率，并向四周发出辐射，迫振动的频率等于入射光的频率，并向四周发出辐射，形成散射光，因此，散射光的波长应与入射光的波长相形成散射光，因此，散射光的波长应与入射光的波长相同。同。若用单色光照射，散射光波长与入射光波长几乎相同。若用单色光照射，散射光波长与入射光波长几乎相同。本讲稿第四十三页，共六十五页 在在19221923年年间间，美美国国科科学学
32、家家康康普普顿顿研研究究了了X 射射线线射射经经过过石石墨墨等等物物质质的的散散射射现现象象，发发现现：X 射射线线被被散散射射后后，除除部部分分波波长长没没有有改改变变外外，还还有有部部分分波波长长变变长长，这这种种现现象象称称为为康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应（康康康康普普普普顿顿顿顿散散散散射射射射）。康康普普顿顿因因此此荣荣获获了了1927年年Nobel物理学奖。物理学奖。本讲稿第四十四页，共六十五页康普顿散射实验装置如下图所示。康普顿散射实验装置如下图所示。X X射线源发射一束波长为射线源发射一束波长为 0 0的的X X射线，射线，投射到一块石墨上。从石墨中出射的投射到一块
33、石墨上。从石墨中出射的X X射线沿着各个方向，这称为散射线沿着各个方向，这称为散射。散射光强度及其波长用射。散射光强度及其波长用X X射线谱仪来测量。射线谱仪来测量。本讲稿第四十五页，共六十五页本讲稿第四十六页，共六十五页 康康普普顿顿散散射射是是又又一一个个为为光光量量子子理理论论提提供供实实验验证证据据的的著著名名效效应应。我我国国物物理理学学家家吴吴有有训训（康康普普顿顿的的研研究究生生）与与康康普普顿顿合合作作，在在康康普普顿顿的的X射射线线散散射射研研究究中中进进行行了了多多项项实实验验，为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工
34、作。本讲稿第四十七页，共六十五页 经典电磁理论对经典电磁理论对康普顿（康普顿（Compton）效应效应波长变长现象波长变长现象无法解释，康普顿无法解释，康普顿效应实质上是效应实质上是“光子与自由电子作完全光子与自由电子作完全弹性碰撞的结果弹性碰撞的结果”。本讲稿第四十八页，共六十五页入射光子入射光子反冲电子反冲电子散射光子散射光子吸收部分能量吸收部分能量能量减少，波长变长能量减少，波长变长本讲稿第四十九页，共六十五页本讲稿第五十页，共六十五页本讲稿第五十一页，共六十五页本讲稿第五十二页，共六十五页本讲稿第五十三页，共六十五页 康康普普顿顿效效应应和和光光电电效效应应在在物物理理本本质质上上是是
35、相相同同的的，都都是是光子与电子之间的相互作用。所不同的是：光子与电子之间的相互作用。所不同的是：在在康康普普顿顿散散射射中中，当当光光子子与与自自由由电电子子或或束束缚缚较较弱弱的的电电子子碰碰撞撞后后，波波长长由由 +；当当光光子子与与内内层层电电子子或或束束缚缚较较强强的的电电子子碰碰撞撞后后，可可以以认认为为光光子子是是与与整整个个原原子子发发生生碰碰撞撞，计计算算式式中中电电子子的的质质量量m0要要换换为为原原子子的的质质量量M，0，入入射射光光波波长保持不变。长保持不变。本讲稿第五十四页，共六十五页 （1）入射光子的波长不同。入射光子的波长不同。在光电效应中，入射光子在光电效应中，
36、入射光子:可见光到紫外光，光子能量可见光到紫外光，光子能量:与原子中束缚电子的束缚能非常接近。与原子中束缚电子的束缚能非常接近。康普顿散射中，入射光子康普顿散射中，入射光子:X射线，光子能量射线，光子能量:远大于电子的束缚远大于电子的束缚能。能。光电效应是光电效应是光子与束缚电子光子与束缚电子的相互作用；而康普顿的相互作用；而康普顿效应效应是是光子与自由电子光子与自由电子的相互作用。的相互作用。波长波长1的的X射线射线，其光子能量，其光子能量 104 eV，外层电子束缚能外层电子束缚能 eV,室温下室温下 kT10-2eV本讲稿第五十五页，共六十五页 （2）在在光光电电效效应应中中，电电子子吸
37、吸收收光光子子的的全全部部能能量量，满满足足能能量量守守恒恒定定律律，但但因因为为电电子子受受原原子子核核的的作作用用力力，并并不不满满足足动量守恒定律动量守恒定律；在在康普顿散射康普顿散射中既满足中既满足能量守恒定律能量守恒定律，也满足，也满足动量守恒定律动量守恒定律。本讲稿第五十六页，共六十五页 （3）在在光光电电效效应应中中也也会会发发生生康康普普顿顿效效应应，但但太太小小，不不易易观观察察到到。如如：=400 nm（紫紫光光），=，=0.0048 nm，/=10-5 在康普顿散射中也会产生光电子，但由于在康普顿散射中也会产生光电子，但由于X射线的能射线的能量量104105电子伏特，远大
38、于只有几个电子伏特的原子电离电子伏特，远大于只有几个电子伏特的原子电离能，产生的光电子数目少，能量大，也不易观察到。能，产生的光电子数目少，能量大，也不易观察到。本讲稿第五十七页，共六十五页【例题】【例题】设康普顿效应中入射的设康普顿效应中入射的 X 射线的波长射线的波长=0.07nm，散射的，散射的X 射线与入射的射线与入射的 X 射线垂直，射线垂直，求反冲电子的动能？求反冲电子的动能？本讲稿第五十八页，共六十五页【例题】【例题】设康普顿效应中入射的设康普顿效应中入射的 X 射线的波长射线的波长=0.07nm，散射的，散射的X 射线与入射的射线与入射的 X 射线垂直，求射线垂直，求反冲电子的
39、动能？反冲电子的动能？本讲稿第五十九页，共六十五页本章主要讲解五个方面问题：本章主要讲解五个方面问题：1 1）黑体辐射的实验规律）黑体辐射的实验规律2 2）普朗克能量子假设）普朗克能量子假设3 3）光电效应与爱因斯坦光子理论）光电效应与爱因斯坦光子理论4 4）康普顿效应）康普顿效应5 5）光的波粒二象性）光的波粒二象性本讲稿第六十页，共六十五页光究竟是什么？光究竟是什么？光究竟是什么？光究竟是什么？从从光光在在传传播播过过程程中中发发生生的的干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振等等现现象象来来看看，光光具具有有波波波波动动动动的的的的特特特特性性性性，可可以以用用波波长长、频频率率和和相相位位等等概概念来描述。念来描述。从从光光与与物物质质相相互互作作用用过过程程中中发发生生的的黑黑体体辐辐射射、光光电电效效应应、康康普普顿顿散散射射（未未讲讲）等等现现象象来来看看，光光具具有有粒粒子子的的特特性性，可可以以用能量和动量等概念来描述。用能量和动量等概念来描述。光的波粒二象性光的波粒二象性光具有波粒二象性光具有波粒二象性本讲稿第六十一页，共六十五页光具有波粒二象性光具有波粒二象性本讲稿第六十二页，共六十五页本讲稿第六十三页，共六十五页课后作业课后作业：23-2 23-6 23-9 23-11 本讲稿第六十四页，共六十五页THE END本讲稿第六十五页，共六十五页