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1、第三节 康普顿效应,散射线中有两种波长 0、，,的增大而增大。,随散射角,探测器,一.实验规律,X 光管,光阑,散射物体,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,二.经典物理的解释,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,说明,受迫振动v0,照射,散射物体,三.光子理论解释,能量、动量守恒,1.入射光子与外层电子弹性碰撞,外层电子,2.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
2、损失能量，波长不变。,原子,自由电子,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,所以，波长改变量,康普顿波长,(1),说明,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,(2)、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 做了大量 X 射线散射实验,吴有训实验结果,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,在康普顿的一本著作“X-Rays in theory an
3、d experiment”(1935)中19处引用了吴的工作两图并列作为康普顿效应的证据,吴有训(18971977),意义:,0,3.康普顿散射实验的意义,支持了“光量子”概念 进一步证实了,首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设,证实了在微观的单个碰撞事件中,动量和能量守恒定律仍然成立,康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖,P=E/c=h/c=h/,=h,康普顿（A.H.Compton)美国人(1892-1962）,康普顿在做康普顿散射实验,四、光电效应和康普顿效应的区别,相同点：都是电磁波和物质的相互作用过程。,不同点：,1、入射光子能量不同,光电效应中入射光为可见光,康普
4、顿效应中入射光为x射线,、相互作用过程不同,光电效应光子与束缚电子的作用，光子的hv全部被金属中的,束缚电子吸收，使e成为一个自由电子逸出金属表面。,康普顿效应相当于光子与自由电子作用，自由电子只部分吸收光子能量，使光子失去一部分能量，飞行方向偏转。,3、,光电效应e吸收光子的全部能量而脱出金属表面，能量守恒,康普顿效应e和光子弹性碰撞，能量守恒，动量守恒,4、两种效应发生的几率由入射光子的能量和原子的质量决定,如选100kev的光子和铅(重金属)碰撞，它主要发生光电效应,选200kev的光子和铝(轻金属)碰撞，它主要发生康普顿效应,一般来说，发生光电效应的几率随光子的 的增大而减小,例1用波
5、长0=1埃的光子作康普顿实验。求,(1)、散射角900 的康普顿散射波长是多少？,(2)、分配给这个反冲电子的动能多大？,解：(1)、康普顿散射光子波长：,(2)、根据能量守恒,例2用强度为I，波长为的X射线(伦琴射线)分别照射锂(Z=3)和铁(Z=26)，若在同一散射角下测得康普顿散射的X射线波长分别为li和Fe(li，Fe)，它们对应的强度分别为Ili和IFe，则(),实验表明，对轻元素，波长变大的散射线相对较强，与0及散射物质无关，只随增大而增大，所以选(C),例3证明康普顿散射实验中，波长为0的一个光子与质量为m0的静止电子碰撞后，电子的反冲角与光子散射角之间的关系为：,证明：将动量守
6、恒式写成分量形式,及康普顿效应结论：,由(1)、(2)得,上式分子,分母为,将(3)式代入：,例 0=0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞,若从与入射线 成900的方向观察散射线，求散射线的波长。,解,能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差,动量守恒,根据动能、动量关系,，波长为,例4如图示，一束能量为hv0得光子流与静止质量为me的静止自由电子作弹性碰撞，若散射的光子能量为hv，试证明散射角满足下式：,证明：分别代表碰撞前后光子运动的单位矢量，设碰撞后电子沿角方向飞出，它的动量、能量分别变为和因为光子与电子碰撞过程服从能量守恒、动量守恒，有：,由图看出，(2)式可写成：,(1)式也可写成：,由(4)式、(3)式，得：,所以，将(3)式代入，得：,
