2020年江苏南师附中高中物理竞赛辅导课件18量子物理基础(D康普顿效应)(共15张PPT)
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2020年江苏南师附中高中物理竞赛辅导课件18量子物理基础(C光电效应)(共14张PPT)
N 7.9
2 51
019 2 .5 1 21s 0 8 1 m 2
THE END 祝大家竞赛顺利、学业有成
谢谢观看！
Ua
12mvm2 0
U0
0 0
----存在截止频率(红限)
K
0
U0 K
----红限
光电子是即时发射的，无论光强如
何，弛豫时间不超过10-9s
二.光波动理论的缺陷
波动说认为：
实验结果
金属中电子吸收光 初动能与入射
能逸出, 其初动能决 光频率相关，
定于光振动振幅, 即 而与入射光强
由光强决定
无关
解： 应用爱因斯坦方程
12m2vhcA26.5 .61310 7 3 014 .63111 8 0092.2
4.9 72.212.76eV
每个光子的能量
hc 4.97eV 4 .9 1 7 .6 1 1 0 J 9
7.9 5 1 1 0J 9
因每个光子最多只能释放一个电子
故每秒从钾表面单位面积所发射的最 大电子数
光强能量足够，光 存在截止频率 电效应对各种频率的 (红限) 光都会发生
电子吸收光波能量只 光电子是即时 有到一定量值时，才 发射的 会从金属中逸出
三．爱因斯坦光子理论
1905年爱因斯坦提出光子假说：
一束光就是一束以光速运动的粒子流
，这些粒子称为光子。频率为 的光
的每一光子具有能量h
1.光电效应方程
止频率(红限) 0 Ah
光子能量一次地被一个电子吸收， 不需要积累能量的时间
结论：光是粒子流
爱因斯坦1921年获诺贝 尔物理学奖
[例3]波长为2500A、强度为2W/m2的 紫外光照射钾, 钾的逸出功为2.21eV， 求(1)所发射的电子的最大动能；(2) 每秒从钾表面单位面积所发射的最大 电子数
《康普顿效应》课件
实验中的注意事项与误差控制
01
注意事项
02
1. 确保X射线源的强度适中，避免对实验装置造成过 大的负荷。
03
2. 确保散射物质的纯度和厚度，以减小误差。
实验中的注意事项与误差控制
• 保持实验环境的温度和湿度恒定，以减小误差。
实验中的注意事项与误差控制
01
误差控制
02
03
04
1. 使用高精度的测量设备， 如单色仪和光谱仪，以提高测
通过研究不同材料对康普顿效应的影响，可以为材料科学 中的光子控制、光子与物质相互作用等领域提供新的思路 和方法。
要点二
与生物医学的交叉研究
康普顿效应在生物医学领域具有潜在的应用价值，如光子 医学、光子成像等，通过跨学科合作可以推动这些领域的 发展。
THANKS
感谢您的观看
量精度。
2. 对实验数据进行多次测量 和平均，以减小误差。
3. 对实验数据进行合理的统 计和分析，以得出正确的结论
。
04
康普顿效应的应用 领域
天文学观测
观测遥远天体
康普顿效应可用于观测遥远的天体，通过分析星光与大气分子的相互作用，了 解天体的性质和结构。
探测暗物质
通过观测宇宙射线与大气分子的相互作用，利用康普顿效应可以间接探测暗物 质的存在。
光子与电子的相互作用过程中，光子的能量传递给电子，导 致光子的能量降低，同时电子获得能量并可能从原子中逸出 。
康普顿散射的过程与结果
康普顿散射是指当高能光子（如X射线或伽马射 线）与物质中的电子相互作用时，光子能量降 低并改变运动方向的现象。
在康普顿散射过程中，光子的能量降低，运动 方向发生改变，同时产生一个或多个低能光子 。这一过程可以用量子力学来描述。
2020年江苏南师附中高中物理竞赛辅导课件18量子物理基础(7)
0
a
可得 C 2 a
n(x)02xa s0i,n na xx00xa
k2
2mE 2
k n
a
En
n222
2ma2
n1,2,
讨论：
n0：因为n=0 则n0，无意义
n=1：E1
22
2ma2
----基态能
En n2，能量间隙不均匀，并随n
的增大而增大。
En 2m 22a22n1
除端点(x=0,x=a)外，阱内n=0称为
n k4 k0,1,
4
2
n4k2
THE 之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向 人生就是学校。——在那里，与其说好的教师是幸福，不如说好的教师是不幸。——海贝尔 天才是百分之一的灵感加上百分之九十九的努力。 骄傲是断了引线的风筝稍纵即逝。 人生最大的错误是不断担心会犯错。 重复别人所说的话，只需要教育；而要挑战别人所说的话，则需要头脑。——玛丽佩蒂博恩普尔 友情在我过去的生活里就象一盏明灯，照彻了我的灵魂，使我的生存有了一点点光彩。 当你达到你的`梦想之前，他人对你的亵渎都是作为梦想所付出的代价，你必须接受它，不然，你的梦想都是单薄的。 现实的压力压的我们喘不过气也压的我们走向成功。 勇于接受别人的批评，正好可以调整自己的缺点。
节点。基态无节点，第一激发态有 一个节点，第 n 激发态有n个节点
n (x)
n4
n(x) 2
n3
n2
n 1
0
ax 0
ax
[例7]设质量为m的微观粒子处在宽度 为a的一维无限深势阱中，试求： 粒子在0xa/4区间中出现的几率， 并对n=1和n=的情况算出概率值。 在哪些量子态上，a/4处的概率密
康普顿效应 课件 (共14张PPT)
散射波长
0
j
探
测
器
石墨体
(散射物质)
X 射线谱仪
5
波长的偏移只与散射角j 有关，而与散射物质种 类及入射的X射线的波长0 无关，
6
波长的偏移只与散射角j 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
(1 cos
j)
c = 0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）
称为电子的Compton波长
吴有训 （1897-1977）
12
E mc2
E h
h
m c2
P mc
h
h h
c2
c
c
13
E h
P h
动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的
14
效应。
8
根据电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带 电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒 子将作受迫振动，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。
9
康普顿效应是光子和电子弹性碰撞的结果 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
11
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.
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，
在同一散射角( j 120)0测量
各种波长的散射光强度，作 了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
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。 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。
高二物理竞赛课件：康普顿效应(共14张PPT)
0
(1
cos )
2m0c2h(
0
)
解得：
0
c
c
0
h (1 cos )
m0c
c(1cos )
实验规律
c
h m0c
6.63 1034 9.11031 3108 m =
2.4310-3nm 等于实验值
康普顿公式 h (1 cos) 2h sin2
m0c
m0c 2
康普顿波长
C
h m0c
n n 2
2
f
i
n f 1,2,3,4,,
ni nf 1, nf 2, nf 3,
里德伯常量 R 1.0973731534 107 m1
氢原子光谱规律启发人们对原
二 实验结果
散射出现了≠0的现象，
称为康普顿散射。
散射曲线的三个特点：
90o
1、除原波长0外，出现了移 向长波方面的新的散射波长。
2、新波长 随散射角 的增
大而增大。
135o
3、当散射角增大时，原波长
的谱线强度降低，而新波长的谱
线强度升高。
0.709 0.749 波长（Ao ）
实验表明： 新散射波长 > 入射波长0
波长的偏移 = 0 只与散射角 有关，和
散射物质无关。
实验规律：
c (1
cos
)
2c
sin2
2
c = 2.4110-2Å = 2.4110-3nm（实验值）
c 称为电子的康普顿波长
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。
三 经典理论的困难 经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射
康普顿效应ppt课件
米氏散射
当光线通过大气中的气溶胶时，会发生米氏散射。米氏散射的散射强度与波长 的二次方成反比。
相关诺贝尔奖得主介绍
康普顿
康普顿因发现康普顿效应而获得 1927年诺贝尔物理学奖。
德布罗意
德布罗意提出物质波理论，认为所 有微观粒子都具有波粒二象性，并 因此获得1929年诺贝尔物理学奖 。
戴维森和汤姆逊
光学仪器设计
在光学仪器设计中，利用康普顿效应可以更好地控制和调 整光的传播路径和聚焦，提高仪器的准确性和稳定性。
医学成像与诊断
康普顿效应在医学成像与诊断中发挥了重要作用，如X射 线和CT成像技术，通过探测光子与物质相互作用产生的散 射和能量变化来获取人体内部结构信息。
对未来科技发展的启示
1 2 3
偏转角的大小取决于入射光子的能量、物质的性质以及碰撞过程中的散射角。
通过测量偏转角，可以研究物质的结构和性质，以及光子与物质的相互作用机制。
03
康普顿效应的实验验证
实验设备与材料
康普顿散射实验装置 光电倍增管
X射线源 测量仪器
实验步骤与操作
将X射线源放置在实验装置的一端 ，将光电倍增管放置在另一端， 用于检测散射后的X射线。
康普顿散射的过程
入射光子与物质原子或分子的电子发 生碰撞，传递能量和动量给电子。
散射光子的能量低于入射光子的能量 ，这是由于部分能量传递给电子。
电子获得能量后，跃迁到更高能级， 并释放出一个与入射光子方向不同的 散射光子。
康普顿效应的定量描述
康普顿散射的偏转角是一个重要的物理量，它描述了散射光子与入射光子之间的夹 角。
康普顿效应PPT课件
contents
目录
• 康普顿效应概述 • 康普顿效应的物理原理 • 康普顿效应的实验验证 • 康普顿效应的意义与影响 • 康普顿效应的扩展知识
当光线通过大气中的气溶胶时，会发生米氏散射。米氏散射的散射强度与波长 的二次方成反比。
相关诺贝尔奖得主介绍
康普顿
康普顿因发现康普顿效应而获得 1927年诺贝尔物理学奖。
德布罗意
德布罗意提出物质波理论，认为所 有微观粒子都具有波粒二象性，并 因此获得1929年诺贝尔物理学奖 。
戴维森和汤姆逊
光学仪器设计
在光学仪器设计中，利用康普顿效应可以更好地控制和调 整光的传播路径和聚焦，提高仪器的准确性和稳定性。
医学成像与诊断
康普顿效应在医学成像与诊断中发挥了重要作用，如X射 线和CT成像技术，通过探测光子与物质相互作用产生的散 射和能量变化来获取人体内部结构信息。
对未来科技发展的启示
1 2 3
偏转角的大小取决于入射光子的能量、物质的性质以及碰撞过程中的散射角。
通过测量偏转角，可以研究物质的结构和性质，以及光子与物质的相互作用机制。
03
康普顿效应的实验验证
实验设备与材料
康普顿散射实验装置 光电倍增管
X射线源 测量仪器
实验步骤与操作
将X射线源放置在实验装置的一端 ，将光电倍增管放置在另一端， 用于检测散射后的X射线。
康普顿散射的过程
入射光子与物质原子或分子的电子发 生碰撞，传递能量和动量给电子。
散射光子的能量低于入射光子的能量 ，这是由于部分能量传递给电子。
电子获得能量后，跃迁到更高能级， 并释放出一个与入射光子方向不同的 散射光子。
康普顿效应的定量描述
康普顿散射的偏转角是一个重要的物理量，它描述了散射光子与入射光子之间的夹 角。
康普顿效应PPT课件
contents
目录
• 康普顿效应概述 • 康普顿效应的物理原理 • 康普顿效应的实验验证 • 康普顿效应的意义与影响 • 康普顿效应的扩展知识
2020年人大附中高中物理竞赛辅导课件(光的量子性)康普顿效应(共17张PPT)
0
2h m0c
sin2
2
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。
0
2h m0c
sin2
2
2c
sin2
2
c
h m0c
电子的康普顿波长
其值为 c 0.0243 Å
我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还
发现：
原子量小的物质康普顿散射较强，原子量
2020全国高中物理学奥林匹克竞赛 人大附中竞赛班辅导讲义
（含物理竞赛真题练习）
光的量子性基础
康普顿效应
康普顿效应是说明光 的粒子性的另一个重要的 实验。
1922-1933年间康普顿观察 X射线通过物质散射时，发 现散射的波长发生变化的 现象。
1927诺贝尔 物理学奖
康普顿实验装置示意图
光阑
B1 B2
石 墨
(a) 相
的 (b) 对 康强
普 (c) 度
顿
效 (d)
应
...... ........
φ=0 O
o
0.700 0.750 波长λ（A）
石 墨 (a) 相
的
对 (b)
康强
普 (c) 度 顿
效 (d)
应
... .. ......................
φ=0 O φ=45 O
0.700 0.750 波长λ（A）
φ=0 O φ=45 O φ=90 O 0.700 0.750 波长λ（A）
..... .........................................
效 (d) 应
普 (c) 度 顿
2020年江苏南师附中高中物理竞赛辅导课件18量子物理基础(3)(2)
量子化条件:电子在稳定圆轨道上
运动时，其轨道角动量L=mvr必须 等于h/2的整数倍，即
L n h n n1,2,
h2----约化--普--量朗子克数常数
2
1922年玻尔因对原子结构和原子放 射性的研究获诺贝尔物理学奖
3.氢原子轨道半径和能量的计算
(1)轨道半径 根据牛顿定律 和库仑定律有
定态假设：原子系统只能处在一系 列具有不连续能量的稳定状态(定态) 。定态时核外电子在一定的轨道上 作圆周运动，但不发射电磁波
频率条件:当原子从一个能量为En 的定态跃迁到另一个能量为Ek的定 态时，就要发射或吸收一个频率为
kn的光子
kn
Ek
En h
En>Ek---发射光子
En<Ek---吸收光子
n 1 n2 n3
n4
电子轨道
E 4 激
E 3 发 态
E2 E 1 基态
能级
En/eV 0
-0.85 -1.51
-3.39
帕邢系
巴耳末系
n4
3 2
-13.6
1
莱曼系
4.里德伯公式的推导 时氢，原氢子原从子高的能发级光En频跃率迁为到低能级Ek
En
波数为
Ek h
me4
802h3
度宽度和偏振等都无法处理
THE END 祝大家竞赛顺利、学业有成
谢谢观看！
快乐的人帮助别人，积极人的肯定自己。——王修强 温故而知新，可以为师矣。——《论语·为政》（温故知新） 人越是高兴的事情，越爱隐藏；越是痛苦的事情，越爱小题大作。 这个是世界上没有天才，所谓的天才只是比普通人多了百分之一的天赋。如果这个天赋运用不好，那么他就可能变成百分之十的累赘。 只要我还有梦，就会看到彩虹! 儿童能力初期萌芽是尤其可贵的，我们引导儿童初期自然趋向的途径能固定儿童的基本习惯，能确定后来能力的趋向。——杜威 通过云端的道路，只亲吻攀登者的足迹。 人若软弱就是自己最大的敌人；人若勇敢就是自己最好的朋友。
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辐射同频光波(散射光) 波长不变
光子理论： 光子与自由或束缚较弱电子的碰撞
光子的一部分能量传给电子，则散射光
子能量小于入射光子
即 hh0 或 0
与束缚很紧的电子碰撞：
电子与整个原子作弹性碰撞，而原 子质量比光子大的多，所以光子不 会显著失去能量，即有=0或=0
轻原子中电子束缚较弱，重原子中 电子束缚较紧，所以原子量小的物 质，康普顿效应较强，反之则相反
2020年
高中物理学奥林匹克竞赛
考前辅导
2020 江苏南京
1
§18-3 康普顿效应
一.康普顿实验 1923年美国物理学家康普顿研究x
射线通过物质时的散射现象发现：散
射线中除了有与入射波长0相同的射 线外，还有>0的射线
----康普顿效应
康普顿1927年获诺贝尔物理学奖
实验装置
康普顿 效应
光阑
பைடு நூலகம்
入 射
mm2c024 c(14m 0 cvc 222 )(0 m 2 02h ) c 40 m h 2 ch 20 2 (0 ( 0 1 (1c )co o ))ss
m 0 c2 (0 ) h 0 (1 c o )
两边同除以 m0c0
0mh0c(1co)s
2h sin2
m0c 2
或
02c
光子能量改变量(光子损失的能量)
(h)h( 0)h(cc0)
hc hc
0
0(0)
hc h (1cos)
m0c
02
0
h (1cos)
m0c
hch (1cos)
由 0
c
0
有
(h) m0c
020
h (1cos)
m0c
(h)m 0 (c h 2 0)h 2(1 0 (1c co o )s)s
----入射光子能量(h0)越高，
sin2
2
其中
c
h
----仅与 相关 2.4 3 10 12 m
m0c----电子的康普顿波长
[例4]单色 x 射线被电子散射而改变 波长。问(1)波长的改变量与原波长 有没有关系？(2)光子能量的改变值 与光子原来能量有没有关系？
解： 2hsi2n
m0c 2
----与原波长无关
康普顿散射的一个重要特点
三.理论推导
光子与静止自由电子
碰撞：
能量 动量
前
光子： h 0
电子： m0c2
h
c
0
n0
0
后 光子： h h n
电子： mc2 mcv
y
h 0 e
m0c2 x
y h
mc2 x
e
动量守恒 x方向
y方向
h0hco smcvo s
0chscinmsvin
消去
c
m 2 v 2 c 2 h 22 h 20 2 2 h 2 0co (1) s
能量守恒
y h
h0m 0c2hm2c
h
0e
m0c2
e
mc2
x
m 2 v 2 c 2 h 22 h 20 2 2 h 2 0co
m 2 c h (0) m 0 c2
平方 m 2 c 4 h 20 2 h 22 2 h 20
(2)-(1) m 0 2 c4 2 h0 c m 2(0)(2)
探测器
光
散射光
x射 线管
石墨
0
0
450
900
1350
实验结果：
=-0随散射角增大而
增大, 与0及散射物质无关
增大，原波长谱线强度
下降，新波长谱线强度增大
对轻元素，新波长的谱线 强度较强；对重元素，新波 长的谱线强度较弱
0
0
450
900
1350
二.光子理论的解释 经典波动理论：
光作用 带电粒子作同频受迫振动
散射损失的能量越高
(h)也是电子获得的反冲动能
量子物理B
THE END 祝大家竞赛顺利、学业有成
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光子理论： 光子与自由或束缚较弱电子的碰撞
光子的一部分能量传给电子，则散射光
子能量小于入射光子
即 hh0 或 0
与束缚很紧的电子碰撞：
电子与整个原子作弹性碰撞，而原 子质量比光子大的多，所以光子不 会显著失去能量，即有=0或=0
轻原子中电子束缚较弱，重原子中 电子束缚较紧，所以原子量小的物 质，康普顿效应较强，反之则相反
2020年
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考前辅导
2020 江苏南京
1
§18-3 康普顿效应
一.康普顿实验 1923年美国物理学家康普顿研究x
射线通过物质时的散射现象发现：散
射线中除了有与入射波长0相同的射 线外，还有>0的射线
----康普顿效应
康普顿1927年获诺贝尔物理学奖
实验装置
康普顿 效应
光阑
பைடு நூலகம்
入 射
mm2c024 c(14m 0 cvc 222 )(0 m 2 02h ) c 40 m h 2 ch 20 2 (0 ( 0 1 (1c )co o ))ss
m 0 c2 (0 ) h 0 (1 c o )
两边同除以 m0c0
0mh0c(1co)s
2h sin2
m0c 2
或
02c
光子能量改变量(光子损失的能量)
(h)h( 0)h(cc0)
hc hc
0
0(0)
hc h (1cos)
m0c
02
0
h (1cos)
m0c
hch (1cos)
由 0
c
0
有
(h) m0c
020
h (1cos)
m0c
(h)m 0 (c h 2 0)h 2(1 0 (1c co o )s)s
----入射光子能量(h0)越高，
sin2
2
其中
c
h
----仅与 相关 2.4 3 10 12 m
m0c----电子的康普顿波长
[例4]单色 x 射线被电子散射而改变 波长。问(1)波长的改变量与原波长 有没有关系？(2)光子能量的改变值 与光子原来能量有没有关系？
解： 2hsi2n
m0c 2
----与原波长无关
康普顿散射的一个重要特点
三.理论推导
光子与静止自由电子
碰撞：
能量 动量
前
光子： h 0
电子： m0c2
h
c
0
n0
0
后 光子： h h n
电子： mc2 mcv
y
h 0 e
m0c2 x
y h
mc2 x
e
动量守恒 x方向
y方向
h0hco smcvo s
0chscinmsvin
消去
c
m 2 v 2 c 2 h 22 h 20 2 2 h 2 0co (1) s
能量守恒
y h
h0m 0c2hm2c
h
0e
m0c2
e
mc2
x
m 2 v 2 c 2 h 22 h 20 2 2 h 2 0co
m 2 c h (0) m 0 c2
平方 m 2 c 4 h 20 2 h 22 2 h 20
(2)-(1) m 0 2 c4 2 h0 c m 2(0)(2)
探测器
光
散射光
x射 线管
石墨
0
0
450
900
1350
实验结果：
=-0随散射角增大而
增大, 与0及散射物质无关
增大，原波长谱线强度
下降，新波长谱线强度增大
对轻元素，新波长的谱线 强度较强；对重元素，新波 长的谱线强度较弱
0
0
450
900
1350
二.光子理论的解释 经典波动理论：
光作用 带电粒子作同频受迫振动
散射损失的能量越高
(h)也是电子获得的反冲动能
量子物理B
THE END 祝大家竞赛顺利、学业有成
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