早期量子论康普顿效应玻尔量子论概述

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1、13 康普顿效应康普顿效应 一、实验规律一、实验规律 二、二、Compton 的解释的解释 三、吴有训对研究康普顿效应的贡献三、吴有训对研究康普顿效应的贡献2晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j一、实验规律一、实验规律1922-231922-23年年 康普顿研究了康普顿研究了X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 0散射波长散射波长 3 散射中出现散射中出现 0 的现象的现象 称为称为康普顿散射康普顿散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波长波长.004=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj

2、.o（A）0.7000.750波长波长.散射曲线的三个特点散射曲线的三个特点：1.除原波长除原波长 0外外出现了移出现了移向向长波长波方面的方面的新新的散射波的散射波长长 2.新波长新波长 随散射角的增随散射角的增大而增大大而增大 3.当当散射角增大散射角增大时时 原波长原波长的谱线强度的谱线强度降低降低 而而新波长新波长的的谱线强度谱线强度升高升高5称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1(jc只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时可比拟时 康普顿效康普顿效应才显著应才显著 因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有

3、关有关0 c=0.0241=2.41 10-3nm（实验值实验值）6经典理论又一次遇到困难经典理论又一次遇到困难 经典散射理论：经典散射理论：当波长当波长 0 0的射线入射后的射线入射后 使电偶极子使电偶极子受迫振动受迫振动 发出散射波的波长在发出散射波的波长在各方各方均是均是 0 0 康普顿采用了爱因斯坦的康普顿采用了爱因斯坦的光量子光量子假说假说 成功成功地解释了实验现象地解释了实验现象 进一步证明了光量子假说的正确性进一步证明了光量子假说的正确性 7 二、二、Compton 的解释的解释 1.物理图像物理图像 单个光子与单个电子发生弹性碰撞单个光子与单个电子发生弹性碰撞 设入射光子能量为

4、设入射光子能量为 h 0 散射光子能量为散射光子能量为h 被碰电子可以看作是被碰电子可以看作是自由电子自由电子 碰前静止碰前静止 电子功函数量级几个电子功函数量级几个 eV 电子热运动平均能量量级电子热运动平均能量量级10-2 eV 与光子能量与光子能量10 KeV 相比相比 都很小都很小自由自由静止静止8yex电子电子静止静止0h0myx散射散射光子光子反冲反冲电子电子hm92.Compton 散射公式散射公式 0P0hPhjePeeEhcmhPPP2000chPcmcPEee420222康普顿康普顿假设假设:碰撞过程碰撞过程 遵守遵守能量能量守恒定律和守恒定律和动量动量守恒定律守恒定律利用

5、相对论能量与动量关系利用相对论能量与动量关系得出结果得出结果反冲电子反冲电子散射光子散射光子10)cos1(00jcmh电子的电子的Compton波长波长oA0486.02cj0P0hPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子o0A024263.0cmhc波长改变最大波长改变最大实验值实验值 c=0.0241 =2.41 10-3nm11解释在散射线中还有原波长的成分解释在散射线中还有原波长的成分如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子）子发生碰撞（内层电子）这样这样 散射光的能量散射光的能量(波长波长)几乎不改变几乎不改变从而散射线中还

6、有与从而散射线中还有与原波长原波长相同的射线相同的射线原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多)cos1(0jcmh相当于光子和相当于光子和整个原子整个原子碰撞（碰撞（m0是原子质量）是原子质量）123.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 进一步证实进一步证实了了l首次在实验上证实了爱因斯坦提出的首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量光量子具有动量”的假设的假设l证实了证实了在微观的单个碰撞事件中在微观的单个碰撞事件中 动量和能量守恒定律仍然成立动量和能量守恒定律仍然成立康普顿获得康普顿获得1927年诺贝尔物

7、理学奖年诺贝尔物理学奖P=E/c=h/c=h/=h 13 康普顿康普顿（A.H.Compton)美国人美国人(1892-1962）康普顿康普顿在做康普顿散射实验在做康普顿散射实验14 19251926年年 吴有训用银的吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线 以以15种轻重不同的元素为散射物质种轻重不同的元素为散射物质三、吴有训对研究康普顿效应的贡献三、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年 参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献在同一散射角在同一散射角()测量各种波长的散射光测量各种波长的散

8、射光强度强度 做了大量做了大量 X 射线散射实验射线散射实验0120 j j151.与散射物质无关与散射物质无关 仅与散射角有关仅与散射角有关曲线表明曲线表明0 II 轻元素轻元素0 II 重元素重元素2.吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验曲线验曲线0120 j j16 证实了康普顿效应的普遍性证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生机制证实了两种散射线的产生机制 外层电子外层电子(自由电子自由电子)散射散射 0 0内层电子内层电子(整个原子整个原子)散射散射在康普顿的一本著作在康普顿的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935

9、)中中19处处引用了吴的工作引用了吴的工作两图并列作为康普顿效应的证据两图并列作为康普顿效应的证据 吴有训吴有训 (18971977)意义意义:0174 玻尔的量子论玻尔的量子论 一、实验事实一、实验事实 二、经典物理的困难二、经典物理的困难 三、玻尔的量子论三、玻尔的量子论18 量子理论发展进程中必须提及的贡献量子理论发展进程中必须提及的贡献 首次把量子思想用到原子结构和原子光谱首次把量子思想用到原子结构和原子光谱 1.原子的核式原子的核式(行星行星)结构结构人们通过大量实验确认了人们通过大量实验确认了卢瑟福的原子核式模型卢瑟福的原子核式模型一、实验事实一、实验事实2.原子光谱原子光谱 离散

10、的离散的线状谱线状谱19A即由此得来即由此得来。红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.31)氢原子的可见光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）测得氢可见光光谱的红线测得氢可见光光谱的红线202)氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律422nnB)6,5,4,3(n巴耳末公式巴耳末公式为为波波数数令令1)121(22nR),6,5,4,3(nR称称为里德伯常量为里德伯常量1710096776.14mBR则巴耳末公式写成则巴耳末公式写成21Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett

11、 seriesLyman series紫外区紫外区红外区红外区可见光可见光后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系需进一步总结其光谱规律需进一步总结其光谱规律22推广巴耳末公式推广巴耳末公式 得到广义巴耳末公式得到广义巴耳末公式 2211nmR;,2,1(m),2,1 mmn2,1nmLyman series3,2nmBalmer series4,3nmPaschen series5,4nmBrackett series6,5nmLyman series紫外区紫外区红外区红外区可可见见光光123233)光谱项光谱项 里兹组合原理里兹组合原理 将氢原子光谱规律

12、推广到一般发光将氢原子光谱规律推广到一般发光 得得)()(nTmT22)()(nRnTmRmT称为光谱项称为光谱项二、经典物理的困难二、经典物理的困难 1.怎么解释原子是稳定的怎么解释原子是稳定的 按照经典理论按照经典理论 电子绕着原子核在高速旋转电子绕着原子核在高速旋转 将不断辐射电磁波将不断辐射电磁波 能量的不断减少能量的不断减少 最终最终 电子将电子将坍缩坍缩到原子核上到原子核上 2.怎么怎么解释原子的线状谱解释原子的线状谱 经典电动力学无能为力经典电动力学无能为力24三、玻尔的量子论三、玻尔的量子论1.关于原子的三条假设关于原子的三条假设 以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础以普朗克

13、能量子和爱因斯坦光子概念为基础 1)定态假设定态假设 原子系统只能处在一系列不连续的能量状态原子系统只能处在一系列不连续的能量状态 这些状态称为原子系统的稳定状态这些状态称为原子系统的稳定状态 简称简称定态定态 相应能量分别记为相应能量分别记为 E1,E2,E3,(E1E2E3)25 2)跃迁假设跃迁假设(频率条件频率条件)当原子从一个能量为当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个的定态跃迁到另一个 能量为能量为Em的定态时发射的定态时发射(或吸收或吸收)一个一个 频率为频率为 的光子的光子 频率条件是频率条件是mnEEh3)角动量量子化假设角动量量子化假设 定态时定态时 角动量取值是量子化的

14、角动量取值是量子化的 量子化条件是量子化条件是),3,2,1(nnL2h26 定态假设定态假设跃迁假设跃迁假设角动量量子化假设角动量量子化假设,21EEmnEEh nL 2.玻尔对氢原子的工作玻尔对氢原子的工作 根据三条假设根据三条假设 1)求出了氢原子的能级公式求出了氢原子的能级公式2220418nhemEen),2,1(n272)氢原子光谱线的波数公式氢原子光谱线的波数公式hcEEmnmn)11(22nmRchemRe3204817m100973731534.1 3.玻尔的贡献玻尔的贡献 1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷”2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打

15、开了人们认识原子结构的大门 3)定态和频率假设在原子结构和分子结构定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念的现代理论中仍是重要概念 4)为量子力学的建立奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础 但他的但他的 理论理论是是半经典的半经典的 仍保留了仍保留了“轨道轨道”概念概念284.能级分立的实验验证能级分立的实验验证 -夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1)原理原理 利用电子碰撞基态水银原子利用电子碰撞基态水银原子 若原子能量是一份一份的若原子能量是一份一份的(能级能级)则电子损失能量也是一份一份的则电子损失能量也是一份一份的12EE激发态激发态基态基态292)物理图像物理图像若

16、电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子损失则电子损失一部分一部分能量能量 电子将走得慢些电子将走得慢些若电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子可能会则电子可能会 连续损失几个的连续损失几个的E2-E1能量能量30V9.4V9.4PIo)(0VU510153)实验装置及实验结果实验装置及实验结果KGPVAPI0UE E灯丝灯丝栅极栅极板极板极314)实验过程实验过程 观察电流变化观察电流变化 如果电流下降如果电流下降 说明电子损失能量说明电子损失能量 所以要所以要单调地升电压单调地升电压 观察全过程观察全过程 中电压在什么中电压在什么值值时电流下降时电流下降(电子损失能量电子损失能量)发现电流下降对应的相邻电压值差为发现电流下降对应的相邻电压值差为4.9VKGPVAPI0UE E灯丝灯丝栅极栅极板极板极32根据发光的频率条件可知根据发光的频率条件可知水银原子的基态和第水银原子的基态和第1激发态的能量差是激发态的能量差是eV9.412 EE从而证明了能级分立从而证明了能级分立第第1章结束章结束33 玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献大的贡献-1922年玻尔获诺贝尔物理奖年玻尔获诺贝尔物理奖玻尔正在讲解他的玻尔正在讲解他的互补原理互补原理 玻尔（左）和玻尔（左）和 海森伯（中）海森伯（中）泡利（右）在一起泡利（右）在一起