2.3 康普顿效应及其解释 （备课堂）-【上好课】2020-2021学年高二物理同步备课系列（粤教版选修3-5）

粤教版 高中物理选修3-5 第二章 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 X 射线管 X 射线谱仪 石墨体 (散射物质) j 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， 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 =0 O j =45 O j =90 O j =135 O j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.700 0.750 λ 波长 . . . . . . . 0  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 四.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, (1892-1962)美国物理学家 康 普 顿 效 应 1927年获诺贝尔物理学奖 1925—1926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， 五、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。 （1897-1977） 吴有训 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 = 0.0241Å=2.4110-3nm（实验值） 小结 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 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 $