波和粒子1汇编.ppt

到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且应用越来越广泛。 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。 因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”， 不过接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊--莫雷实验。正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。 所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱------量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。 3. 康普顿效应 康普顿研究了X射线经物质散射的实验, 进一步证实了爱因斯坦的光子概念。 康普顿 吴有训 X光管 光阑 散射 物质 康普顿实验装置示意图 X光检测器 晶体 康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长λ0 相同的射线之外，同时还出现一种波长λ大于λ0 的射线。这种改变波长的散射称为康普顿效应。 我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现： (1)波长的偏移 随散射角 而异;当散射角增大时,波长的偏移也随之增加,而且随着散射角的增大,原波长的谱线强度增大。 (2) 在同一散射角下，对于所有散射物质,波长的偏移 都相同,但原波长的谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增加,新波长的谱线强度随之减小。 康 普 顿 散 射 与 角 度 的 关 系 (a) (b) (c) (d) 相 对 强 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.700 0.750 波长(?) . . . . 光子理论的解释 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。光的波动理论无法解释康普顿效应。 1） 光子理论对康普顿效应的解释 光子理论认为康普顿效应是光子和自由电子作 弹性碰撞的结果，具体解释如下： 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。 *2） 康普顿效应的定量分析 由能量守恒: 由动量守恒: θ X X e φ X φ θ 最后得到： 此式说明：波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。 电子的康普顿波长。 计算的理论值与实验值符合得很好。 X射线的散射现象，理论与实验的符合，不仅有力地证实了光子理论，而且也证实了能量守恒和动量守恒两条定律，在微观粒子相互作用的基本 过程 中，也同样严格地遵守。 例 波长为 1.000? 的X射线在碳块上作康普顿散射实验 ，