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
康强
对 (b)
石 (a) 墨相
的
φ=135 O
o
波长λ（A）
φ=90 O
φ=0 O φ=45 O
无法解释波长改变和散射角的关系。
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）相碰撞，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。
c
n0
m
h 0
c
n0
X
能量守恒:
mc 2 h( 0 ) m0c2
动量守恒:
h 0 h cos m cos
cc
0 h sin m sin
c
由能量守恒: mc 2 h( 0 ) m0c2
由动量守恒:
h 0 h cos m cos
cc
0 h sin m sin
c
最后得到：
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
光子在自由电子上的散射
（1）碰撞前 （2）碰撞后 （3）动量守恒
Y
h 0 m0
eX
Y h m X
h n
c
mθ
h 0
c
n0
X
由能量守恒:
h n
c
h 0 m0c2 h mc 2
由动量守恒:
θ
m
h
c
n
h 0
0.750
... .. ....................................... ...........................
0.700
(c) 度
效 (d) 应
康强
对 (b)
(a) 相
普 顿的石 墨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，所以它所 发射的散射光频率应等于入射光频率。
大的物质康普顿散射较弱；
晶体
A φ
X射线谱仪
C
石墨体（散射物）
G
X 射线管 调节A对C的方位，可使不同方向
R
的散射线进入光谱仪。
康普顿实验指出
(1)散射光中除了和入射光波长 0相同的射线
之外，还出现一种波长 大于 0 的新的射线
。
康普顿效应
改变波长的散射 康普顿散射
(2)当散射角增加时，波长改变 0
也随着增加. (3)在同一散射角下，所有散射物质的波长 改变都相同。