2022-2023学年高二物理竞赛课件：康普顿散射

康普顿散射 康普顿散射 主要内容： 1. 康普顿散射的实验规律 2. 光子理论的解释 理学院 物理系 陈强  θ 0 λ 0   探测器 0 康普顿散射的实验规律 X 光管 光阑 散射物体 (实验装置示意图) 0    0 0  0 实验结果: 1. 散射X光中两个波长, 0(原入射波长),  > 0, ↑ →  – 0 = ↑ 且 ↑→0散射X光强度↓, ↑→散射X光强度↑ 2.在相同散射角下， 不同金属,不同0→但相同， 原子序数↑ → 0强度↑， 原子序数↑ →  强度↓ 理学院 物理系 陈强 散射角相同，散射物体不同情况下的实验结果： 入射波 散射波 （入射光的中心波长为0 ， 散射光中频率改变部分的中心波长为 ）。 理学院 物理系 陈强 经典物理无法解释康普顿散射实验规律 经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射. 电子受迫振动 同频率散射线 发射 单色电磁波 θ 受迫振动v0 照射 散射物体 康普顿散射实验规律需用光子理论解释. 理学院 物理系 陈强 光子理论的解释 能量、动量守恒 入射光子与外层电子弹性碰撞 外层 电子 受原子核束缚较弱 动能＜＜光子能量 近似自由 近似静止 静止 自由 电子 θ 理学院 物理系 陈强 （运算推导） （电子的康普顿波长） 其中 理学院 物理系 陈强 X 射线光子和原子内层电子相互作用 光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变. 原子 自由电子 0 0  0 内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞. 光子 内层电子 外层电子 波长变大的散射线 波长不变的散射线 (1) 波长变化 结论 (2) 强度变化 轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）. 理学院 物理系 陈强 结论 光子 内层电子 外层电子 波长变大的散射线 波长不变的散射线 波长变化 物质 波长 0  轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ） 弱 强 重物质（多数电子处于强束缚状态 ） 强 弱 吴有训实验结果 强度变化 理学院 物理系 陈强 例 求 (1) 散射线的波长λ; (2) 反冲电子动能; (3) 反冲电子动量. 解 (1) 散射线的波长λ: (2) 反冲电子动能: (3) 反冲电子的动量： λ0 = 0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线成90°的方向观察散射线。 理学院 物理系 陈强 电子自旋角动量大小 S 在外磁场方向的投影 s —自旋量子数 自旋磁量子数 ms 取值个数为 电子自旋 ms = ±1/2 2s +1= 2 则 s = 1/2 ， 电子自旋角动量在 外磁场中的取向 理学院 物理系 陈强 四个量子数 （表征电子的运动状态） (1) 主量子数 n ( 1 , 2 , 3, …, n ) (2) 副量子数 l ( 0，1，2，… , n -1 ) (3) 磁量子数 ml ( 0，±1， ± 2，… , ± l ) (4) 自旋磁量子数 ms ( 1/2 , -1/2 ) 大体上决定了电子能量 决定电子的轨道角动量大小，对能量也有稍许影响. 决定电子轨道角动量空间取向 决定电子自旋角动量空间取向. 理学院 物理系 陈强 $