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1、,第三节 康普顿效应及其解释,光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来,爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下,提出了光子学说,普朗克,爱因斯坦,1.光的散射,光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射,2.康普顿效应,1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时,发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外,还有比入射线波长更长的射线,其波长的改变量与散射角有关,而与入射线波长 和散射物质都无关。,一.康普顿散射的实验装置与规律:,晶体,光阑,探 测 器,0,散射波长,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,按经典电磁理论: 如果入射X光是某 种波长的电磁波,
2、 散射光的波长是 不会改变的!,康普顿散射曲线的特点:,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,2.新波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象,称为康普顿散射。,波长的偏移为,二、经典电磁理论解释康普顿效应,根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时,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。 可以解释频率不变的一般散射。 无法解释波长改变和散射角的关系。,三、光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果,具体解释如下: 1. 若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是
3、散射光的波长大于入射光的波长。 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量,根据碰撞理论, 碰撞前后光子能量几乎不变,波长不变。,(碰撞过程满足动量守恒和能量守恒),3. 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。,三、光子理论对康普顿效应的解释,三.康普顿散射实验的意义,(1)有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设;,(2)首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设;,(3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中, 动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿的成功也不是一帆风顺的,在他早期的 几篇论文中,一直认为散射光频率的改变是由
4、于 “混进来了某种荧光辐射”;在计算中起先只 考虑能量守恒,后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,康普顿, (1892-1962)美国物理学家,康 普 顿 效 应,1927年获诺贝尔物理学奖,19251926年,吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质,,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,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。,在同一散射角( )测量 各种波长的散射光强度,作 了大量 X 射线散射实验。,光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的,称为电
5、子的Compton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射线才能观察到康普顿散射,用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关,而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关,,c = 0.0241=2.4110-3nm(实验值),小结1,什么是康普顿效应? 经典电磁理论解释康普顿效应:可以解释频率_的一般散射。 无法解释波长改变和散射角的关系。 光子理论对康普顿效应的解释:康普顿效应是光子和电子作_的结果 若光子和外层电子相碰撞,散射光的波长_。若光子和内层电子相碰撞,碰撞前后光子波长_。波长改变和散射角有关。,弹性碰撞,不变,变长,不变,小结1,5. 康普顿散射实验的意义: (1)有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设; (2)首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设; (3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中,动量和能量守恒定律仍然是成立的。 6. 光子的能量和动量 7. 用可见光能否观察到康普顿散射?,
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