康普顿效应
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
康普顿效应
2020年4月27日星期一
散射现象：光通过不均匀物质时，向各个方 向发散的现象
实验发现：X射线→金属或石墨时，也有散射 现象
早在1904年伊夫（AS . Eve)发现射线被 物质散射后波长变长的现象,康普顿相继 研究了射线及X射线的散射,他先确定了 伊夫的发现。又用自制的X射线分光计, 测定了X射线经石墨沿不同方向的散射的 定量关系,1923年发表论文作出了解释.
e x射线
没有波长变长 的散射光！
1922年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论， 将x射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子 的碰撞，很好地解释了康普顿效应。
‘x’光子与原子中的电子的碰撞可分为两类： 1） ‘x’光子（能量~104eV)与原子中的外层电子（ 束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰 撞；
1920年，美国物理 学家康普顿在观察X 射线被物质散射时，发 现散射线中含有波长发 生了变化的成分——散 射束中除了有与入射束
波长 0 相同的射线， 还有波长 > 0 的射
线.其波长的增量随散 射角的不同而变化。这 种现象称为康普顿效应
1927诺贝尔物 理学奖
一 实验装置
1922年, Compton在X射线散射中发现波长 改变的现象
二 实验结果
散射物质—石墨 钼谱线
(1)
散射光中除有原波长成分 外, 还出现了0 的谱线.
(2)
0随增加而增加; 的强度随增加而增加, .
(3) 与散射物质无关;的 谱线的强度随散射物质 原子序数的增加而减小;
0的谱线强度随散射物质 原子序数的增加而增加.
三 经典理论的困难
按经典电磁理论，带电粒子受到入射 电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各 个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入 射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的 作用.
3.说明了相对论效应在宏观领域与微观领域 的适用性。
康普顿的这一发现也对量子物理的发展作 出了重要贡献，它是量子理论的一个重要实 验证据。
[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：
----与原波长无关 康普顿散射的一个重要特点
2）波长变长的散射光 来自光子与原子外 层电子的碰撞。
电子 光子
原子 光子
四 量子定量解释
1 物理模型
光子
电子
光子
入射光子（ X 射线或 范围为：
电子
射线）能量大 .
电子热运动能量 电子.
光子
电子
，可近似为静止
光子
电子
固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子. 电子反冲速度很大，用相对论力学处理.
康普顿效应的定量分析
Y
Y
X
X
θ
X
（1）碰撞前 （2）碰撞后 （3）动量守恒
光子在自由电子上的散射
2 定量计算 能量守恒
动量守恒
康普顿波长 康普顿公式
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。
4 结论 散射光波长的改变量
仅与 有关.
散射光子能量减小
5 讨论 光具有波粒二象性
电子
光子
2） ‘x’光子（能量~104eV)与原子中的内层电子（ 束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；
原子 光子
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高能光子和低 能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释 如下：
若光子和散射物外层电子（相当于自由 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发生弹性碰 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。
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。
总结： 1）波长不变的散射光 来自光子与整个原 子（内层电子）的 碰撞；
一般而言，光在传递过程中，波动性较 为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较 显著.
若
则
康普顿效应.
，可见光观察不到
与 的关系与物质无关， 是光子 与近自由电子间的相互作用.
散射中
的散射光是因光子与紧束
缚电子的作用. 原子量大的物质，其电子束
缚较强，因而康普顿效应不明显.
6 物理意义
光子假设（光子理论）的正确性，狭义相 对论力学的正确性 .
光阑
晶体
X射线谱仪
θ
石墨体（散射物） X 射线管 调节A对R的方位，可使不同方向
的散射线进入光谱仪。
康普顿实验指出
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
改变波长的散射 康普顿散射
散射X射线的波长中有两个峰值 和
且
与散射角θ有关
2020年4月27日星期一
微观粒子的相互作用也遵守能量守恒和动 量守恒定律.康普顿获得了1927年度诺贝尔 物理学奖。
康普顿散射研究过程给我们如下启示
： 1.光子理论对康普顿散射的成功解释，进一 步证明了普朗克量子理论和爱因斯坦光子理 论的正确性。
2.证明了在光子与电子相互作用的微观领域 中，能量守恒定律和动量守恒定律仍然适用 。
出设想：实物粒子与光一样也具有波 粒二象性
类比：
或
---德布罗意公式 与实物粒子相联系的波称 为德布罗意波(物质波) 1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖
二.实物粒子波动性实验
1927年美国的戴维孙和革末实验
证实了实物粒子波动性 电子枪 探测器 观察到在晶体表面电
光子能量改变量(光子损失的能量)
由
有ห้องสมุดไป่ตู้
入射光子能量(h0)越高，散射损
失的能量越高
(h)也是电子获得的反冲动能
§7-4 光和微观粒子的波粒二象性
一.德布罗意波
1924年法国年轻的博士德布罗意提出设想 ：实物粒子与光一样也具有波粒二象性
类比：
§7-4 光和微观粒子的波粒二象性
一.德布罗意波 1924年法国年轻的博士德布罗意提
可见，经典理论无法解释波长变长的 散射线.
康普顿效应的解释
关于x射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论 ！英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和 德国物理学家认为是粒子流，这一实验使人们确 信x 线是粒子流,1919~1920年康普顿在英国作访问 学者，试图用电磁波知识来解释康普顿效应。
如果x射线是电磁波，能不能解释康普顿 效应效应？不能，请听分解：
2020年4月27日星期一
散射现象：光通过不均匀物质时，向各个方 向发散的现象
实验发现：X射线→金属或石墨时，也有散射 现象
早在1904年伊夫（AS . Eve)发现射线被 物质散射后波长变长的现象,康普顿相继 研究了射线及X射线的散射,他先确定了 伊夫的发现。又用自制的X射线分光计, 测定了X射线经石墨沿不同方向的散射的 定量关系,1923年发表论文作出了解释.
e x射线
没有波长变长 的散射光！
1922年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论， 将x射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子 的碰撞，很好地解释了康普顿效应。
‘x’光子与原子中的电子的碰撞可分为两类： 1） ‘x’光子（能量~104eV)与原子中的外层电子（ 束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰 撞；
1920年，美国物理 学家康普顿在观察X 射线被物质散射时，发 现散射线中含有波长发 生了变化的成分——散 射束中除了有与入射束
波长 0 相同的射线， 还有波长 > 0 的射
线.其波长的增量随散 射角的不同而变化。这 种现象称为康普顿效应
1927诺贝尔物 理学奖
一 实验装置
1922年, Compton在X射线散射中发现波长 改变的现象
二 实验结果
散射物质—石墨 钼谱线
(1)
散射光中除有原波长成分 外, 还出现了0 的谱线.
(2)
0随增加而增加; 的强度随增加而增加, .
(3) 与散射物质无关;的 谱线的强度随散射物质 原子序数的增加而减小;
0的谱线强度随散射物质 原子序数的增加而增加.
三 经典理论的困难
按经典电磁理论，带电粒子受到入射 电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各 个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入 射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的 作用.
3.说明了相对论效应在宏观领域与微观领域 的适用性。
康普顿的这一发现也对量子物理的发展作 出了重要贡献，它是量子理论的一个重要实 验证据。
[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：
----与原波长无关 康普顿散射的一个重要特点
2）波长变长的散射光 来自光子与原子外 层电子的碰撞。
电子 光子
原子 光子
四 量子定量解释
1 物理模型
光子
电子
光子
入射光子（ X 射线或 范围为：
电子
射线）能量大 .
电子热运动能量 电子.
光子
电子
，可近似为静止
光子
电子
固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子. 电子反冲速度很大，用相对论力学处理.
康普顿效应的定量分析
Y
Y
X
X
θ
X
（1）碰撞前 （2）碰撞后 （3）动量守恒
光子在自由电子上的散射
2 定量计算 能量守恒
动量守恒
康普顿波长 康普顿公式
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。
4 结论 散射光波长的改变量
仅与 有关.
散射光子能量减小
5 讨论 光具有波粒二象性
电子
光子
2） ‘x’光子（能量~104eV)与原子中的内层电子（ 束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；
原子 光子
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高能光子和低 能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释 如下：
若光子和散射物外层电子（相当于自由 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发生弹性碰 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。
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。
总结： 1）波长不变的散射光 来自光子与整个原 子（内层电子）的 碰撞；
一般而言，光在传递过程中，波动性较 为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较 显著.
若
则
康普顿效应.
，可见光观察不到
与 的关系与物质无关， 是光子 与近自由电子间的相互作用.
散射中
的散射光是因光子与紧束
缚电子的作用. 原子量大的物质，其电子束
缚较强，因而康普顿效应不明显.
6 物理意义
光子假设（光子理论）的正确性，狭义相 对论力学的正确性 .
光阑
晶体
X射线谱仪
θ
石墨体（散射物） X 射线管 调节A对R的方位，可使不同方向
的散射线进入光谱仪。
康普顿实验指出
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
改变波长的散射 康普顿散射
散射X射线的波长中有两个峰值 和
且
与散射角θ有关
2020年4月27日星期一
微观粒子的相互作用也遵守能量守恒和动 量守恒定律.康普顿获得了1927年度诺贝尔 物理学奖。
康普顿散射研究过程给我们如下启示
： 1.光子理论对康普顿散射的成功解释，进一 步证明了普朗克量子理论和爱因斯坦光子理 论的正确性。
2.证明了在光子与电子相互作用的微观领域 中，能量守恒定律和动量守恒定律仍然适用 。
出设想：实物粒子与光一样也具有波 粒二象性
类比：
或
---德布罗意公式 与实物粒子相联系的波称 为德布罗意波(物质波) 1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖
二.实物粒子波动性实验
1927年美国的戴维孙和革末实验
证实了实物粒子波动性 电子枪 探测器 观察到在晶体表面电
光子能量改变量(光子损失的能量)
由
有ห้องสมุดไป่ตู้
入射光子能量(h0)越高，散射损
失的能量越高
(h)也是电子获得的反冲动能
§7-4 光和微观粒子的波粒二象性
一.德布罗意波
1924年法国年轻的博士德布罗意提出设想 ：实物粒子与光一样也具有波粒二象性
类比：
§7-4 光和微观粒子的波粒二象性
一.德布罗意波 1924年法国年轻的博士德布罗意提
可见，经典理论无法解释波长变长的 散射线.
康普顿效应的解释
关于x射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论 ！英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和 德国物理学家认为是粒子流，这一实验使人们确 信x 线是粒子流,1919~1920年康普顿在英国作访问 学者，试图用电磁波知识来解释康普顿效应。
如果x射线是电磁波，能不能解释康普顿 效应效应？不能，请听分解：