14-3康普顿效应

1一.实验规律192223年康普顿研究了X射线在石墨上的散射§15.3康普顿效应（Comptoneffect）光阑X射线管探测器X射线谱仪晶体0散射波长,0石墨体(散射物质)j02散射曲线的三个特点：1.除原波长0外，出现了移向长波方面的新的散射波长。2.新波长随散射角j的增大而增大。3.当散射角增大时，原波长的谱线强度降低，而新波长的谱线强度升高。散射出现了≠0的现象，................................................................................o（A）0.7000.750波长.......o0jo45jo90jo135jMo，K称为康普顿散射。3=2.4110-3nm（实验值）只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿实验表明：)cos1(jc2sin22jcc称为电子的康普顿波长c=0.0241Å新散射波长入射波长0，和散射物质无关。波长的偏移=0只与散射角j有关，实验规律是：效应才显著，因此要用X射线才能观察到。4康普顿用光子理论做了成功的解释：▲X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞▲碰撞过程中能量与动量守恒二.康普顿效应的理论解释经典电磁理论难解释为什么有≠0的散射，碰撞光子把部分能量传给电子外层电子束缚能~eV,室温下kT~10-2eV，）（波长1Å的X射线，其光子能量104eV，e自由电子（静止）0hvmjm0h光子的能量散射X射线频率波长52200mchcmhvmechech00220/1/cmmv能量守恒动量守恒反冲电子质量解得：)cos1(jce000echpechpvmjm0自由电子（静止）)cos1(000jcmhccm103101.91063.6831340cmhc=2.4310-3nm（理论值）6这是因为光子还可与石墨中被原子核束缚为什么康普顿散射中还有原波长0呢？光子和整个原子碰撞。内层电子束缚能103~104eV，不能视为自由，而应视为与原子是一个整体。所以这相当于光子原子mm∵即散射光子波长不变，散射线中还有与原波∴在弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，得很紧的电子发生碰撞。长相同的射线。7因为自由电子若吸收光子，就无法同时满足1.为什么康普顿效应中的电子不能像光电效应三.讨论几个问题违反相对论！∴自由电子不可能吸收光子，只能散射光子。cv自由电子吸收光子2200mccmh000emechv220/1/cmmv2211ccvv那样吸收光子而是散射光子？能量守恒和动量守恒。82.为什么在光电效应中不考虑动量守恒？∴光子电子系统能量仍可认为是守恒的。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，原子也要参与动量交换，光子电子系统动量不守恒。又因原子质量较大，能量交换可忽略，3.为什么可见光观察不到康普顿效应？因可见光光子能量不够大，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。9四.康普顿散射实验的意义▲支持了“光量子”概念，进一步证实了▲首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子▲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年诺贝尔物理学奖。p=/c=h/c=h/=h具有动量”的假设10康普顿（A.H.Compton)美国人(1892-1962）11192526年他用银的X射线（0=5.62nm）五.吴有训对研究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康普顿效应作出了重要贡献。在同一散射角（j=120）测量各种波长的散射以15种轻重不同的元素为散射物质，为入射线，光强度，作了大量X射线散射实验。这对证实工作，121.与散射物质无关，仅与散射角有关。曲线表明：0II2.轻元素0II重元素，。吴有训的康普顿效应散射实验曲线散射角0120j13▲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）散射的证据。吴有训工作的意义：在康普顿的一本著作“XRaysintheoryandexperiment”（1935）中，有19处引用了吴有训的工作。书中两图并列作为康普顿效应1420世纪50年代的吴有训吴有训（1897—1977）物理学家、教育家、中国科学院副院长，曾任清华大学物理系主任、理学院院长。1928年被叶企孙聘为清华大学物理系教授，对证实康普顿效应作出了重要贡献15总结：康普顿效应一、康普顿效应及其观测晶体S1S2j探测器散射体康普顿效应实验装置实验表明：散射的X射线中不仅有与入射线波长相同的射线，而且也有波长大于入射线波长的射线。这种现象就称为康普顿效应。二、光子论对康普顿效应的解释1.光子与点阵离子的碰撞由于离子质量比光子的质量大得多，碰撞后光子的能量基本不变。所以散射光的波长是不变的，这就是散射光中与入射线同波长的射线；162.光子与自由电子的碰撞根据相对论，得xθchch0eemuj碰撞过程中能量是守恒的，即2200mchcmh将式平方后减去上式，得2002cmhmc)(2201cumm/或由于碰撞过程动量守恒，得jcos)()()()()(chchchchmu022022jcos02222022222hhhcum或)()cos()(j0200242022422121hcmhcmcucm2002cmhmc)(17由电子的静质量m0与运动质量m之间的关系，得)cos()(j12202020hhcm即)cos(j100cmhcc)cos1(Δ00jcmh由于，所以c由上式得结论：(1)散射X射线的波长改变量只与光子的散射角j有关，j越大，也越大。当j=0时，=0，即波长不变；当j=时，=2h/m0c，即波长的改变量为最大值。h/m0c也是基本物理常量，称为电子的康普顿波长，用C表示，C=2.426310581012m。(2)在散射角j相同的情况下，所有散射物质，波长的改变量都相同。18三、光的波粒二象性光在传播过程中表现出波的特性，而在与物质相互作用过程中表现出粒子的特性。这就是说，光具有波和粒子两方面的特性，称为光的波粒二象性。波粒二象性的统计解释：光是由具有一定能量、动量和质量的微观粒子组成的，在它们运动的过程中，在空间某处发现它们的概率却遵从波动的规律。实际上，这里所说的粒子和波，都是人们经典观念中对物质世界认识上的一种抽象和近似。19解:(1)波长的改变量为.m-102.43=m90cos1(1043.2)cos1(Δ12)120jcmh例1:波长为0=0.200nm的X射线在某物质中产生康普顿散射，在散射角为j=90的方向上观测到散射X射线。求：(1)散射X射线相对于入射线的波长改变量；(2)引起这种散射的反冲电子所获得的动能Ek。20代入数据，得J10191J1043210002100021043210003106361712101012834k.)..(....E入射X光子的能量为J10959J100021000310636161083400....hch(2)反冲电子所获得的动能Ek等于X光子损失的能量hhcmmcE0202k所以)Δ(ΔΔ0000hchchc21xyxypeh/0h/解：(1)散射后X射线波长的改变为例题2波长为的X射线与静止的自由电子碰撞,现在从和入射方向成角的方向去观察散射辐射.求:(1)散射X射线的波长；(2)反冲电子的能量；(3)反冲电子的动量。9000.02nm21002sin0.024100.00242mnmhmcj22所以散射X射线的波长为(2)根据能量守恒,反冲电子获得的能量就是入射光子与散射光子能量的差值,所以(3)根据动量守恒,有00.00240.020.0224nmnmnm1630010.7106.6610JeVhchchc0coshpe23所以sinhpe2212230220()4.4410phekgms0cos0.753hpe41924点击深色键返回原处→(A.H.Compton,1892—1962)