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1、第三节第三节 康普顿效应康普顿效应 00 散射线中有两种波长散射线中有两种波长 0 、，的增大而增大。的增大而增大。随散射角随散射角 探测器 0一一.实验规律实验规律X 光管光阑散射物体=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波长波长.散射曲线的三个特点：散射曲线的三个特点：1.1.除原波长除原波长 0 0外外出现了移向出现了移向长波长波方方面的面的新新的散射波长的散射波长 2.2.新波长新波长 随散射角的增大而增大随散射角的增大而增大3.3.当当散射角增大散射角增大时时 原波长原波长的谱线强的谱线强度度降低降低 而而新波长新波长的谱线强度的谱线强度升高升高二二.
2、经典物理的解释经典物理的解释经典理论只能说明波长不变的散射，而经典理论只能说明波长不变的散射，而不能不能说明说明康普顿康普顿散射散射。电子受电子受迫振动迫振动同频率同频率散射线散射线发射发射 单色单色电磁波电磁波说明说明受迫振动受迫振动v0照射照射散射物体三三.光子理论解释光子理论解释能量、动量守恒能量、动量守恒1.入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞 外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能动能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止静止静止 自自由由 电子电子2.X 射线光子和原子内层电子相互作用射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时
3、光子不损失能量，波长不变。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。原子自由电子000内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。所以，波长改变量所以，波长改变量康普顿波长康普顿波长光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线(1)说明说明 19251926年年 吴有训用银的吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线 以以15种轻重不同的元素为散射物质种轻重不同的元素为散射物质(2)(2)、吴有训对研究康普顿效应的贡献、吴有训对研究康普顿效应的贡献19231
4、923年年 参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献在同一散射角在同一散射角()测量各种波长的散射光测量各种波长的散射光强度强度 做了大量做了大量 X 射线散射实验射线散射实验 波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴吴有有训训实实验验结结果果 证实了康普顿效应的普遍性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证实了两种散射线的产生机制 外层电子外层电子(自由电子自由电子)散射散射 0
5、0内层电子内层电子(整个原子整个原子)散射散射在康普顿的一本著作在康普顿的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935)中中19处引用了吴的工作处引用了吴的工作两图并列作为康普顿效应的证据两图并列作为康普顿效应的证据 吴有训吴有训 (18971977)意义意义:03.3.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 进一步证实了进一步证实了l首次在实验上证实了爱因斯坦提出的首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动光量子具有动量量”的假设的假设l证证实实了了在在微微观观的的单单个个碰碰撞撞事事件件中中,动动量量和和能
6、能量量守守恒恒定律仍然成立定律仍然成立康普顿获得康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖P=E/c=h/c=h/=h 康普顿康普顿（A.H.Compton)美国人美国人(1892-1962）康普顿康普顿在做康普顿散射实验在做康普顿散射实验四、光电效应和康普顿效应的区别四、光电效应和康普顿效应的区别相同点：都是电磁波和物质的相互作用过程。不同点：1、入射光子能量不同光电效应中入射光为可见光康普顿效应中入射光为x射线、相互作用过程不同光电效应光子与束缚电子的作用，光子的hv全部被金属中的束缚电子吸收，使e成为一个自由电子逸出金属表面。康普顿效应相当于光子与自由电子作用，自由电子只部分吸收
7、光子能量，使光子失去一部分能量，飞行方向偏转。3、光电效应e吸收光子的全部能量而脱出金属表面，能量守恒康普顿效应e和光子弹性碰撞，能量守恒，动量守恒4、两种效应发生的几率由入射光子的能量和原子的质量决定如选100kev的光子和铅(重金属)碰撞，它主要发生光电效应选200kev的光子和铝(轻金属)碰撞，它主要发生康普顿效应一般来说，发生光电效应的几率随光子的 的增大而减小例1用波长0=1埃的光子作康普顿实验。求(1)、散射角900 的康普顿散射波长是多少？(2)、分配给这个反冲电子的动能多大？解：(1)、康普顿散射光子波长：(2)、根据能量守恒例2用强度为I，波长为的X射线(伦琴射线)分别照射锂
8、(Z=3)和铁(Z=26)，若在同一散射角下测得康普顿散射的X射线波长分别为li和Fe(li，Fe)，它们对应的强度分别为Ili和IFe，则()实验表明，对轻元素，波长变大的散射线相对较强，与0及散射物质无关，只随增大而增大，所以选(C)例3证明康普顿散射实验中，波长为0的一个光子与质量为m0的静止电子碰撞后，电子的反冲角与光子散射角之间的关系为：证明：将动量守恒式写成分量形式及康普顿效应结论：由(1)、(2)得上式分子分母为将(3)式代入：例例 0 =0.02nm 的的X射线与静止的自由电子碰撞射线与静止的自由电子碰撞,若从与入射线若从与入射线 成成900的方向观察散射线，求散射线的波长的方向观察散射线，求散射线的波长。解解能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差动量守恒动量守恒根据动能、动量关系根据动能、动量关系，波长为，波长为例4如图示，一束能量为hv0得光子流与静止质量为me的静止自由电子作弹性碰撞，若散射的光子能量为hv，试证明散射角满足下式：证明：分别代表碰撞前后光子运动的单位矢量，设碰撞后电子沿角方向飞出，它的动量、能量分别变为和因为光子与电子碰撞过程服从能量守恒、动量守恒，有：由图看出，(2)式可写成：(1)式也可写成：由(4)式、(3)式，得：所以，将(3)式代入，得：