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1 第三节 波粒二象性 2 光的认识过程 牛顿的微粒说 同时发生反 射和折射 惠更斯的波动说 干涉衍射实 验难以实现 直线传播、反 射、折射 反射、折射、 干涉、衍射 等现象 解释 解释 不清 解释 难点 预言 光波是电磁波、 且是横波 实验 杨氏干涉 （双孔、双 缝干涉） 泊松亮斑 理论分析 实验证实 麦克斯韦电磁说 证实 赫兹实验 困难 光电效应现象 康普顿效应 光子说 3 一、康普顿效应 1. 光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用 , 因而传播方向发生改变 , 这种现象叫做 光的散射 2. 康普顿效应 入射光经过物质散射后波长变长的现象，称为 康普顿效应 。 4 3. 康普顿散射的实验装置与规律： 一、康普顿效应 发现散射线中除有与 入射线波长相同的射 线外，还有比入射线 波长更长的射线， 其波长的改变量与散 射角有关， 而与入射线波长 和散 射物质都无关。 现象： 5 称为电子的 Compton 波长 ) cos 1 ( ? ? ? ? c 只有当入射波长 ? 0 与 ? c 可比拟时，康普顿效应才显著 ， 因此要用 X 射线才能观察到 康普顿散射，用可见光 观察不到康普顿散射。 波长的偏移只与散射角 ? 有关， 而与散射物质种类及入射的 X 射线的波长 ? 0 无关， 0 ? ? ? ? ? ? ? c = 0.0241?=2.41 ? 10 -3 nm （实验值） 3. 康普顿散射的实验装置与规律： 一、康普顿效应 ※ 6 3. 康普顿散射的实验装置与规律： 一、康普顿效应 康普顿正在测晶体 对 X 射线的散射 按经典电磁理论： 如果入射 X 光是某 种波长的电磁波， 散射光的波长是 不 会改变的！ 7 （ 1 ）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 ①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 。 ②无法解释波长改变和散射角关系。 3. 康普顿效应解释中的疑难 ： 一、康普顿效应 8 （ 2 ）光子理论对康普顿效应的解释 ①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。 ②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。 ③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。 （ 1 ）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 3. 康普顿效应解释中的疑难 ： 一、康普顿效应 9 （ 1 ）有力地支持了爱因斯坦 “光量子” 假设； （ 2 ）首次在实验上证实了 “光子具有动量” 的假设； （ 3 ）证实了 在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能 量守恒定律仍然是成立的。 康普顿的成功也不是一帆风顺的， 在他早期的几篇论文中，一直认为散射 光频率的改变是由于“混进来了某种荧 光辐射”；在计算中起先只考虑能量守 恒，后来才认识到还要用动量守恒。 康普顿于 1927 年获诺贝尔物理奖。 4. 康普顿散射实验的意义 ： 一、康普顿效应 (1892-1962) 美国物理学家 10 1925 — 1926 年，吴有训用银的 X 射 线 ( ? 0 =5.62nm) 为入射线 , 以 15 种 轻重不同的元素为散射物质， 中国物理学家吴有训对研究康普顿效应的贡献 1923 年 , 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。 在同一散射角 ( ) 测量各种 波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。 0 120 ? ? 4. 康普顿散射实验的意义 ： 一、康普顿效应 （ 1897-1977 ） 吴有训 中国近代物理学奠基人 11 2 mc E ? ? ? ? ? h c h c c h mc P ? ? ? ? ? ? 2 ? h E ? 2 c h m ? ? ? 二、光的波粒二象性 1. 光子的动量 12 二、光的波粒二象性 2. 光是一种概率波 实验结论： 大量光子表现的波动性强，少量光子表现的粒子性强 a. 每个光子落在哪 点是不确定的 b. 波动性图像是一 种统计性结果 c. 亮纹处光子到达 的概率高，暗纹处 光子到达的概率低 波长长的光波动性强，波长短的粒子性强 结论： 光是一种概率波 13 三、实物粒子的波粒二象性 1. 德布罗意物质波假说 De . Broglie 1923 年发表了题为“ 波 和粒子 ”的论文，提出了物质波的概念。 他认为，“整个世纪以来（指 19 世纪） 在光学中比起波动的研究方法来，如果说 是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么 在实物的理论中，是否发生了相反的错误