大学物理近代-1效应

§12-3光子理论的证实——康普顿效应一、康普顿效应1922--1933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。康普顿实验装置示意图RS光阑B2§12-3光子理论的证实——康普顿效应一、康普顿效应1922--1933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。康普顿实验装置示意图RS光阑B2A石墨体（散射物）X射线管10o0.709nm散射出现了≠的现象.0散射曲线的三个特点：0石墨的康普顿效应45o1.除原波长0外，出现了移向长波方面的新的散射波长.90o新波长0o0.709nm散射出现了≠的现象.0散射曲线的三个特点：0石墨的康普顿效应45o1.除原波长0外，出现了移向长波方面的新的散射波长.90o新波长随散射角的2.增大而增大。3.当散射角增大时，原波135o长的谱线强度降低，而新波长的谱线强度升高。o0.7090.749（A）2............................新散射波长>入射波长新散射波长>入射波长0，波长的偏移=0只与散射角有关，与散射物质无关。实验规律是：c=0.0241Å2.4110-3nm（实验值）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。3 (1cos)2sin20 c c 2二、康普顿效应的解释001.经典理论对光的散射的解释00θ受迫振动v0发射照射结论二、康普顿效应的解释001.经典理论对光的散射的解释00θ受迫振动v0发射照射结论经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。4单色经典理论认为：入射光要么安全通过晶体经典理论认为：入射光要么安全通过晶体无论是被晶体衍射光的频率、或者说光的波长不变。52.光子理论对康普顿效应的解释：该效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果。1、若光子与外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,波长变长。光子的能量减少，因此频率变低，2、若光子与内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。3、因为碰撞换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。2.光子理论对康普顿效应的解释：该效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果。1、若光子与外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,波长变长。光子的能量减少，因此频率变低，2、若光子与内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。3、因为碰撞换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。6rrh0rr康普顿效应的定量分析p0e0cecm0自由电子（静止）mvh0m0c2hmc2能量守恒动量守恒hrrh0rr康普顿效应的定量分析p0e0cecm0自由电子（静止）mvh0m0c2hmc2能量守恒动量守恒h0hcm0c 1v2/c2mm0/反冲电子质量cch(1cos)(1cos)0mcc006.631034hcmc8m=2.4310-3nm等于实验值319.11031007从上述分析可知，入射光子与电子碰撞时，把一部分能量传给了电子。因而光子能量减少，频率降低，波长变长。波长偏移与散射角的关系式也与实验结果定量地符合。上式还表明，波长的偏移与散射物质0以及入射X射线的波长而只与散射角从上述分析可知，入射光子与电子碰撞时，把一部分能量传给了电子。因而光子能量减少，频率降低，波长变长。波长偏移与散射角的关系式也与实验结果定量地符合。上式还表明，波长的偏移与散射物质0以及入射X射线的波长而只与散射角无关，有关。这一规律也已被实验证实。8 h (1cos)0 mc03.康普顿散射实验的意义支持了3.康普顿散射实验的意义支持了“光量子”概念，进一步证实了=h首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设p=/c=h/c=h/证实了在微观领域的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿获得1927年物理学奖。94.讨论几个问题（阅读）（1）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？假设自由电子能吸收光子，则有21mvh0h0r2vr0v4.讨论几个问题（阅读）（1）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？假设自由电子能吸收光子，则有21mvh0h0r2vr0vc相对论！c1 2e0cc2mm1上述过程不能同时满足能量、动量守恒。自由电子不能吸收光子，只能散射光子。10（2）为什么在光电效应中不考虑动量守恒？在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，光子能量低，（2）为什么在光电效应中不考虑动量守恒？在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，光子能量低，电子与整个原子的联系不能忽略，（阅读）原子也要参与动量交换，光子电子系统动量不守恒。但原子质量较大，能量交换可忽略，∴光子电子系统仍可认为能量是守恒的。11（3）为什么可见光观察不到康普顿效应？可见光光子能量不够大，（阅读）原子内的电子（3）为什么可见光观察不到康普顿效应？可见光光子能量不够大，（阅读）原子内的电子不能视为自由，所以可见光不能产生康普顿效应。只有用X射线，才能观察到显著的康普顿效应。在光电效应中，入射光是可见光或紫外线，康普顿效应不显著。12（4）为什么康普顿散射中还有原波长0呢？这是因为光子还可与石墨中被原子核得很紧的电子发生碰撞。缚能103（4）为什么康普顿散射中还有原波长0呢？这是因为光子还可与石墨中被原子核得很紧的电子发生碰撞。缚能103~104eV，不能视为自由，内层而应视为与原子是一个整体。所以这相当于光子和整个原子碰撞。m光子原子∴在弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，即散射光子波长不变，散射线中还有与原波长相同的射线。（阅读1927物理学奖康普顿（A.pton)美国人(1892-1962）发现了X1927物理学奖康普顿（A.pton)美国人(1892-1962）发现了X射线通过物质散射时，波长发生变化的现象14例19－2求下述几种辐射的光子的能量、动量和质量，100U后的电子的动能、动量和质量相比较。700nm(1)的红光；的X射线；(2)2例19－2求下述几种辐射的光子的能量、动量和质量，100U后的电子的动能、动量和质量相比较。700nm(1)的红光；的X射线；(2)2线的射解：由于经过电压后，电子的速度不是很大，可以不考虑相对论效应10011eVem9e04p5. 10seeee15（1）对于1700nm的光子（红光），计算得到hc6.6310343108h)1170010916.631034h28p1 9.4710kg（1）对于1700nm的光子（红光），计算得到hc6.6310343108h)1170010916.631034h28p1 9.4710kgms70010916.631034h3631087001093.1610kg111.78(eV)2%3.161036mEe100eV 19.111031m289.4710p1e42103106245.4010pe16(2)对于2hc1.75104(eV)h222h9.3410(2)对于2hc1.75104(eV)h222h9.341024kgms1p22h3.111032kgmc222m2p217523%17Eepeme(3)30.00124nm的光子（射线）hc1.00106(eV)h333h5.351022kg(3)30.00124nm的光子（射线）hc1.00106(eV)h333h5.351022kgms1p33h1.781030kgm3c3m2p33299104mepeEe18例19－3设康普顿散射效应中，入射的X射线的波长为00.0700nm，在与入射的X射线垂直方向观察。求：反冲电子的动能；反冲电子的运动方向与入射的X射线的方向之间的夹角。解：散射的X例19－3设康普顿散射效应中，入射的X射线的波长为00.0700nm，在与入射的X射线垂直方向观察。求：反冲电子的动能；反冲电子的运动方向与入射的X射线的方向之间的夹角。解：散射的X射线的波长h(1cos)(1cos)00cmc00c0.07000.00240.0724nm19900（1）根据能量守恒：hmc2hc2me00e反冲电子的动能为（1）根据能量守恒：hmc2hc2me00e反冲电子的动能为hhmc2mc2Ekee00hc(11)9.421017(J)0200ppe（2）根据动量守恒：p0rhrpcosp入射光子动量h00erppsin00散射光子动量ee反冲电子的动量为p反冲电子动量e(h)2( )h2p p0ppe（2）根据动量守恒：p0rhrpcosp入射光子动量h00erppsin00散射光子动量ee反冲电子的动量为p反冲电子动量e(h)2( )h2p p22pe00p0h0(h)2(h)2 1 cos44.2001(0pe)2215.吴有训对康普顿效应研究的贡献吴有训19235.吴有训对康普顿效应研究的贡献吴有训1923年参加了发现康普顿效应的研究15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角（=120）测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。这对证实康普顿效应作出了重要贡献。吴有训的康普顿效应散射实验曲线：22散射角1200曲线表明：1、散射角1200曲线表明：1、与散射物质无关，仅与散射角有关。III2、轻元素I。2300吴有训工作的意义：证实了康普顿效应的普遍性证实了两种散射线的产生机制：吴有训工作的意义：证实了康普顿效应的普遍性证实了两种散射线的产生机制：－外层电子（自由电子）散射0－内层电子（整个原子）散射在康普顿的一本著作XRaysintheoryandexperiment（1935）中，有19处了书中两图并列作为康普顿效应的证据。24吴有训（1897—1977）物理学家、教育家、中国副院长，1928年被叶企孙聘为清华大学物理系教授，曾任物理系吴有训（1897—1977）物理学家、教育家、中国副院长，1928年被叶企孙聘为清华大学物理系教授，曾任物理系、理学院院长。对证实康普顿效应作出了重要贡献2520世纪50年代的吴有训（阅读）6.康普顿散射公式的推导：hrh0rhrrrrmVe0emVee0cccc2h2hrr 02 0（阅读）6.康普顿散射公式的推导：hrh0rhrrrrmVe0emVee0cccc2h2hrr 02 0eem2V20c2cc2h2h2 0cos 0c2ccm2V2c2h22h222h2 cos0 026h0mc2m0h0mc2m0c hmc2 2（阅读）m0c2hh027m2c4h22h22m2c40 02h2 2hmc22hmc20 0 0 022c4mm2c4（阅读）002h22h2h22c4mm2c4（阅读）002h22h2hmc22mc0000h220h222h20cosm2V2c22h22c4m2c4(