15-3 康普顿效应.ppt

鞍山科技大学姜丽娜 1 15 3康普顿散射 一 康普顿散射实验装置 光电效应从能量的角度证实了光子的假设 1923年 美国物理学家康普顿 A H Compton 等人 在X射线被电子散射实验中从动量角度进一步证实了光子理论 探测器 石墨 X射线 入射光波长 0 71260 散射体 石墨 散射光波长 鞍山科技大学姜丽娜 2 实验结果 1 在散射的X光中 除有与入射光波长相同的成分外 还有波长较长的成分 0时 散 0 波长偏移 0 0时 散射光有两种波长 散 0 0 0 0 其中 0为入射波长 为散射角 2 波长偏移 只与 有关 与散射物质及 0无关 随 3 对同一散射元素 随 强度I 0 I 对不同散射元素 在同一 角下 随原子序数Z I 0 I 鞍山科技大学姜丽娜 3 二 康普顿的理论解释 经典电磁理论只能解释波长不变的散射光 康普顿用光子的概念解释了上述现象 1 物理图象 假定 入射光由光子组成 光子和散射物中的受原子束缚较弱的电子发生碰撞而被散射 简化 因光子能量 电子的束缚能 电子看作是自由电子 因光子能量 电子热运动能量 电子看作碰前静止 物理图象 一个入射X光子与一个原来静止的自由电子弹性碰撞 满足能量 动量守恒 正是入射光子的部分能量给了反冲电子 才使散射光子能量变小 波长变长 鞍山科技大学姜丽娜 4 波长偏移 三 定量分析康普顿散射效应 X射线光子与 静止 的 自由电子 弹性碰撞 碰撞过程中能量守恒 碰撞过程中动量守恒 与实验吻合 鞍山科技大学姜丽娜 5 式中 c称作康普顿波长 鞍山科技大学姜丽娜 6 四 讨论1 只和 有关 0 0 只有 0的散射光 900 c 有 0和 0 c两种散射光 1800 2 c 有 0和 0 2 c两种散射光 2 为何只有X光才有康普顿散射现象 由 0 c cos 第二项数量级约0 0243A 只有 0也很小时 才有明显的 3 为什么还有 0的散射光存在 光子与束缚较紧的电子的碰撞 应看作是和整个原子相碰 因原子质量 光子质量 在弹性碰撞中散射光子的能量 波长 几乎不变 或由 1 cos h M0c很小而知 M0 原子静止质量 鞍山科技大学姜丽娜 7 4 随Z 束缚紧的电子比例增加 I 0 5 为什么康普顿效应中的电子不能像光电效应那样吸收光子而是散射光子 练习 请证明一个自由电子不可能吸收光子 只能散射光子 提示 用反证法 并利用能量 动量守恒 6 普朗克常数h的意义康普顿效应是一种量子现象 若h 0 0 经典结果 实际h 0 0 量子效应 但h很小 量子效应很难检测 只是在微观领域h的作用才明显 前面因m0很小 才不为0 h是划分经典 量子界限的物理量 h起作用的领域 即量子效应存在的领域 鞍山科技大学姜丽娜 8 四 康普顿散射实验的意义有力支持了爱因斯坦的 光子 概念 证实了在微观的单个碰撞事件中 动量守恒和能量守恒定律仍然成立 康普顿因此获1927年诺贝尔物理奖 鞍山科技大学姜丽娜 9 答 D 例 07 光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程 对此 在以下几种理解中 正确的是 A 两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒和能量守恒 B 两种效应都属于电子与光子的弹性碰撞过程 C 两种效应都属于电子吸收光子的过程 D 光电效应是吸收光子的过程 而康普顿效应则相当于电子与光子的弹性碰撞过程 E 康普顿效应是吸收光子的过程 而光电效应则相当于电子与光子的弹性碰撞过程 鞍山科技大学姜丽娜 10 例 8 波长为 0 0 500 的X射线被静止的自由电子所散射 若散射线的波长变为 0 522 试求反冲电子的动能EK 解 根据能量守恒入射光子的能量为散射光子的能量为 鞍山科技大学姜丽娜 11 例 9 假定在康普顿散射实验中 入射波长为 0 0 0030nm 反冲电子的速度 0 6c 求散射光的波长 解 根据能量守恒 鞍山科技大学姜丽娜 12 答 例 1 光电效应中发射的光电子最