康普顿效应是说明光的粒子性的另一个重要的实验。.pptVIP

* * * 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（A.H.Compton）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 （下一页） 康普顿实验装置示意图 X 射线管 X射线谱仪 光阑 石墨体（散射物） φ 晶体 调节C对A的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。 （下一页） 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。 改变波长的散射 康普顿散射 康普顿效应 散射X射线的波长中有两个峰值 和 且 与散射角?有关 （下一页） 石 墨 的 康 普 顿 效 应 . . . . . . . . . . . . . . . . . φ=0 O (a) (b) (c) (d) o 相 对 强 度 （A） 0.700 0.750 λ 波长 石 墨 的 康 普 顿 效 应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . φ=0 φ=45 O O (a) (b) (c) (d) 相 对 强 度 （A） 0.700 0.750 λ 波长 石 墨 的 康 普 顿 效 应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . φ=0 φ=45 φ=90 O O O (a) (b) (c) (d) 相 对 强 度 （A） 0.700 0.750 λ 波长 石 墨 的 康 普 顿 效 应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . φ=0 φ=45 φ=90 φ=135 O O O O (a) (b) (c) (d) o 相 对 强 度 （A） 0.700 0.750 λ 波长 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，原子量大的物质康普顿散射较弱； 当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。 （下一页） 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。 无法解释波长改变和散射角的关系。 （下一页） 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。 （下一页继续） 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。 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。 （下一页） 康普顿效应的定量分析 Y X Y 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 X θ （下一页） 由能量守恒: 由动量守恒: X θ X方向动量守恒: Y方向动量守恒: （下一页 ） ——电子的康普顿波长 最后得到： 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。 X θ 其值为： ? 是个常数 （下一页） 康普顿理论的意义 1、验证了光的粒子说的正确性； 2、验证了在光与电子的相互作用过程中， 能量守恒与动量守恒仍是正确的； 3、进一步验证了相对论的正确性。 以上三个实验的共同启示： 在微观世界，物理量的取值与变化 可能是不连续的！ （下一页） 例题：在一康普顿实验中，当入射光子的波长为0.030 时，反冲电子的速度为0.6c。试求： -（1）散射光子的波长；（2）散射光子的散射角； - ( 3 )反冲电子的动量大小与方向。 X θ 能量守恒与动量守