10 大学物理 黑体康普顿.ppt

14章波与粒子,引言从经典物理到现代物理概述,物理学的分支及近年来发展的总趋势,,,时间t,关键概念的发展,,,,,,,,,,力学,电磁学,热学,相对论,量子论,1600170018001900,物体在任何温度下都向外辐射电磁波,热辐射,14-1黑体、黑体辐射,平衡热辐射,物体具有稳定温度,发射电磁辐射能量,吸收电磁辐射能量,相等,黑体,如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。,绝对黑体模型,空腔,,物体单位表面积发射的各种波长的总辐射功率称为辐射出射度M0实验证明物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度。,,辐射出射度,如果从物体表面单位面积上发出的，波长在,,为单色辐出度，,,,称比值,,,的辐射功率为,固体在温度升高时颜色的变化,,,o,λμm,,,,,,,,,,,1235689,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,实验值,,,经典物理遇到的困难,1。瑞利和琼斯用能量均分定理,只适于长波“紫外灾难”,,,,,实验,瑞利-琼斯,2。维恩根据经典热力学得出,,维恩,只适于短波。,两个经典公式都与实验矛盾。,3普朗克于1900年提出黑体辐射公式,,普朗克理论值,,为了给黑体辐射公式作出物理解释，普朗克提出能量子假设,谐振子辐射或吸收能量为,辐射物体是由大量谐振子（每一个分子）所构成，每个谐振子既能发射电磁波，又能接收电磁波，谐振子发射或接收的电磁辐射能量只能取某些特定的分立值。电磁辐射能量的最小单元（能量子）为,h,h6.62610-34J.s普朗克常数。是自然界最基本的常数之一，体现了微观世界的基本特征。随着该角色的登场，物理学进入了一个崭新的世界。,普朗克能量子假说的意义,首次提出了能量不连续的假设，成功的解决了黑体辐射的理论问题。开量子之先河，称普朗克为“量子力学之父”。1918年获诺贝尔物理学奖。1905年爱因斯坦提出光量子理论，光是一粒一粒以光速运动的粒子流，一个光子能量为h,1920-1933年间康普顿,在观察X射线被物质散射时，发现散射光中有波长发生变化的成份，称康普顿效应。证实了光子学说的正确性，同时也证实了微观粒子同样遵从动量守恒和能量守恒定律。,,获1927诺贝尔物理学奖,14－3康普顿效应,康普顿实验装置示意图,调节A的方位，可使不同方向的散射光进入摄谱仪，测出波长及相对强度。,实验结果1.固定某散射角，散射光中除了和入射光波长λ相同的射线之外，还出现一种波长λ‘大于λ的新的射线。,,康普顿效应,,2原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱。,石墨的康普顿效应,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,,,.,.,.,.,.,.,.,.,,,,φ0,φ45,φ90,φ135,O,O,O,O,,,,,a,b,c,d,o,（A）,入,入‘,λ,波长,经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,根据经典电磁波理论，当电磁波通过散射物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，每个振动的带电粒子将向四周辐射，成为散射光，所以散射光频率应等于入射光频率。,无法解释波长改变和散射角的关系。,,,对于可见光，这种波长较长的电磁辐射，经典理论基本符合实际，但对于波长较短的电磁辐射，经典理论与实验矛盾。,康普顿用光子理论对此解释,高能光子和散射物外层低能自由电子作弹性碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少，碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有波长0的成分。由于轻原子中电子束缚较弱，因此原子量小的康普顿效应明显。否则不明显。,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。,,康普顿效应的定量分析,,碰撞前系统的能量,（3）能量守恒,光子在自由电子上的散射,,碰撞后系统的能量,由能量守恒,由动量守恒,X方向动量守恒,Y方向动量守恒,电子的康普顿波长,其值为,,最后得到,康普顿散射公式,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。,康普顿理论的意义,1、验证了光的粒子说的正确性；,2、验证了在光与电子的相互作用过程中，能量守恒与动量守恒仍是正确的；,3、进一步验证了相对论的正确性。,启示,在微观世界，物理量的取值与变化是不连续的,例题在一康普顿实验中，当入射光子的波长为0.030时，反冲电子的速度为0.6c。试求（1）散射光子的波长；（2）散射光子的散射角；（3）反冲电子的动量大小与方向。,解,（1）求散射光子的波长,（2）求散射光子的散射角；,可得散射光子的散射角为,（3）求反冲电子的动量大小与方向。,反冲电子的动量大小,反冲电子动量的方向,根据动量守恒，在与X垂直的方向上有,代入各已知量可求得,