康普顿散射实验介绍

康普顿散射(Compton scattering)
定义：短波电磁辐射(如X射 线，伽玛射线)射入物质而 被散射后，除了出现与入 射波同样波长的散射外， 还出现波长向长波方向移
动的散射现象。
• 1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通 过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新 的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外， 还产生了波长l>l0 的x光，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 (compton effect)。用经典电磁理论来解释康普 顿效应遇到了困难。康普顿借助于爱因斯坦的
wenku.baidu.com释
• 1）经典解释（电磁波的解释） • 单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起
受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。经典理论解 释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能作出 合理解释! • （2）光子理论解释 • X射线为一些e=hν的光子，与自由电子发生完全弹性碰 撞，电子获得一部分能量，散射的光子能量减小，频率 减小，波长变长。这过程设动量守恒与能量守恒仍成立， 则由 • 电子：P=m0V；E=m0V2/2（设电子开始静止，势能忽略） • 光子：P=h/λ • 其中（h/m0C）=2.42×10-12m称为康普顿波长。
光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验
现象进行了圆满地解释。我国物理学家吴有训 也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。
• 发现康普顿效应
• 1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X 射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长 略大，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量 转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实 物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中 能量守恒，动量也守恒。短波长电磁辐射射入物质而被 散射后，在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波 长增大的波，散射物的原子序数愈大，散射波中波长增 大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。按照这 个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实 验数据完全符合，这样就证实了他的假设。这种现象叫 康普顿效应。
• 实验测得散射光波长与散射角θ 的关系：
图3a表示入射X射线强度与波长的关系。图 3b，图3c，图3d表示在散射角θ不同时X射线 的强度分布。此时得两峰值，其一在入射X 射线波长处。新的峰对应的波长即康普顿理 论所预言的散射X 射线波长。测量结果证明 康普顿的公式是正确的。
实验结果：
• (1)散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外 还有λ>λ0的谱线。
实验装置
• 以电子质量代入(4)，可得电子的康普顿波长为 λc=2.42631×10-2Å ，所以波长改变是一极小的 量。上面的公式也可应用于其他带电粒子与光 子的碰撞，此时M0代表粒子质量。如质子的康 普顿波长为1.32141×10-5Å 。
• 康普顿的最初实验是观察 X射线经过石墨的散 射。因为X射线的波长是Å 量级的，散射后波长 的改变才是有意义的。X光子能量大，而石墨 中价电子受到的束缚弱，可以近似认为是静止 的自由电子。
• (2)波长的改变量Δλ=λ-λ0随散射角φ(散射方 向和入射方向之间的夹角)的增大而增加.
• (3)对于不同元素的散射物质，在同一散射 角下，波长的改变量Δλ相同。波长为λ的散 射光强度随散射物原子序数的增加而减小。
• X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹 性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒
• 在散射X射线中波长不变的成分可以用内层
电子散射来解释。内层电子紧紧束缚于原 子核上，在应用康普顿公式时，M0应该理 解为核质量。这时候的康普顿波长要比自 由电子的康普顿波长小得多。X射线波长不 变。
• 进一步的分析表明，在物质中电子总是在运动 的。运动电子与光子弹性碰撞的结果可以使光 子动量变小，也可以使光子动量增加。散射光 波长相应地可以增大，也可以减小。前面的康 普顿公式就不适用了，这时散射光波长的改变 应该考虑到多普勒效应。这是广义的康普顿效 应。在这个基础上，人们得到了一些有意义的 应用。如当人们观察X 射线通过物质后的散射 强度分布时，可以发现多普勒效应所造成的强 度分布。这就能了解电子在原子与物质中的速 度分布。