2022-2023学年高二物理竞赛课件：康普顿效应

康普顿效应 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 康普顿研究了X射线经物质散射的实验,进一步证实了爱因斯坦的光子概念。 X光管 光阑 散射 物质 康普顿实验装置示意图 X光检测器 晶体 一、康普顿效应 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 2 (2) 在同一散射角下,对于所有散射物质,波长的偏移 都相同,但原波长的谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增加,新波长的谱线强度随之减小。 康普顿发现,在散射光中除了有与入射光波长λ0 相同的射线之外,同时还出现一种波长λ大于λ0 的射线。这种改变波长的散射称为康普顿效应。 我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现: (1)波长的偏移 随散射角 而异;当散射角增大时,波长的偏移也随之增加,而且随着散射角的增大,原波长的谱线强度增大。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 3 (a) (b) (c) (d) 相 对 强 度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.700 0.750 波长(Å) . . . . 康 普 顿 散 射 与 角 度 的 关 系 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 4 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。光的波动理论无法解释康普顿效应。 二、光子理论的解释 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 5 光子理论对康普顿效应的解释 光子理论认为康普顿效应是光子和自由电子作弹性碰撞的结果,具体解释如下: 二、光子理论的解释 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。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 6 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。 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。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 7 康普顿效应的定量分析 θ X X e φ X φ θ 由能量守恒: 由动量守恒: 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 8 最后得到: 电子的康普顿波长。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 9 此式说明:波长改变与散射物质无关,仅决定于散射角;波长改变随散射角增大而增加。 计算的理论值与实验值符合得很好。 X射线的散射现象,理论与实验的符合,不仅有力地证实了光子理论,而且也证实了能量守恒和动量守恒两条定律,在微观粒子相互作用的基本过程中,也同样严格地遵守。 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 解:(1) 散射后X射线波长的改变为 x y x y Pe h/ 0 h/ 例题13-5 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。 0 0.02 nm l = 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 11 所以散射X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 上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 $