76康普顿效应2010

引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光是由光子组成的还是康普顿实验。美国物理学家康普顿起初也不相信“光量子”，但密立根的实验对他有触动，特别是在爱因斯坦提出了“光子动量”的概念后，他决定对光子的动量进行检验。7.6Compton效应（Compton’seffect）早在1904年伊夫（AS.Eve)发现射线被物质散射后波长变长的现象,康普顿相继研究了射线及X射线的散射,他先确定了伊夫的发现。又用自制的X射线分光计,测定了X射线经石墨沿不同方向的散射的定量关系,1923年发表论文作出了解释.散射现象：光通过不均匀物质时，向各个方向发散的现象实验发现：X射线→金属或石墨时，也有散射现象1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生了变化的成分——散射束中除了有与入射束波长0相同的射线，还有波长0的射线.其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应1927诺贝尔物理学奖1922年,Compton在X射线散射中发现波长改变的现象一实验装置X射线管RGX射线谱仪光阑1B2B石墨体（散射物）θA晶体C调节A对R的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。康普顿实验指出散射光中除了和入射光波长λ相同的射线之外，还出现一种波长λ'大于λ的新的射线。改变波长的散射康普顿散射康普顿效应散射X射线的波长中有两个峰值和且与散射角θ有关nm0712605.00钼谱线散射物质—石墨0009004501350散射光中除有原波长成分外,还出现了0的谱线.0随增加而增加;的强度随增加而增加,.(1)(2)二实验结果0入射线Cu29Ni2826FeCr24Ca20与散射物质无关;的谱线的强度随散射物质原子序数的增加而减小;0的谱线强度随散射物质原子序数的增加而增加.(3)三经典理论的困难按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用.可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.康普顿效应的解释关于x射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论！英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和德国物理学家认为是粒子流，这一实验使人们确信x线是粒子流,1919~1920年康普顿在英国作访问学者，试图用电磁波知识来解释康普顿效应。如果x射线是电磁波，能不能解释康普顿效应效应？不能，请听分解：x射线e没有波长变长的散射光！1922年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，将x射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子的碰撞，很好地解释了康普顿效应。‘x’光子与原子中的电子的碰撞可分为两类：1）‘x’光子（能量~104eV)与原子中的外层电子（束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰撞；电子光子2）‘x’光子（能量~104eV)与原子中的内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；原子光子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高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）作弹性碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，就相当于和整个原子发生弹性碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少，碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有波长0的成分。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。总结：1）波长不变的散射光来自光子与整个原子（内层电子）的碰撞；2）波长变长的散射光来自光子与原子外层电子的碰撞。电子光子原子光子1物理模型入射光子（X射线或射线）能量大.四量子定量解释eV10~1054hE范围为：000vxy光子电子xy电子光子电子反冲速度很大，用相对论力学处理.电子热运动能量，可近似为静止电子.h固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子.000vxy光子电子xy电子光子康普顿效应的定量分析hYX0meYXhvm（1）碰撞前（2）碰撞后（3）动量守恒光子在自由电子上的散射Xθnchvm0nch2定量计算xy00echechvme0evmechech00动量守恒2200mchcmhv能量守恒cos2202222220222chchchmvcos2202222220222chchchmv)(2)cos1(2)1(020024202242hcmhcmccmv)cos1(00cmhcc2/1220)/1(cmmv0康普顿波长m1043.2120Ccmh2sin2)cos1(200cmhcmh康普顿公式)cos1()cos1(C0cmh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。散射光波长的改变量仅与有关.0,0Cmax2)(,π散射光子能量减小00,4结论xy00echechvme0e5讨论若则，可见光观察不到康普顿效应.C00光具有波粒二象性一般而言，光在传递过程中，波动性较为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较显著.与的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用.散射中的散射光是因光子与紧束缚电子的作用.原子量大的物质，其电子束缚较强，因而康普顿效应不明显.06物理意义光子假设（光子理论）的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子的相互作用也遵守能量守恒和动量守恒定律.康普顿获得了1927年度诺贝尔物理学奖。康普顿散射研究过程给我们如下启示：1.光子理论对康普顿散射的成功解释，进一步证明了普朗克量子理论和爱因斯坦光子理论的正确性。2.证明了在光子与电子相互作用的微观领域中，能量守恒定律和动量守恒定律仍然适用。3.说明了相对论效应在宏观领域与微观领域的适用性。康普顿的这一发现也对量子物理的发展作出了重要贡献，它是量子理论的一个重要实验证据。[例4]单色x射线被电子散射而改变波长。问(1)波长的改变量与原波长有没有关系？(2)光子能量的改变值与光子原来能量有没有关系？解：2sin220cmh----与原波长无关康普顿散射的一个重要特点光子能量改变量(光子损失的能量))()(0hh)(0cch0hc)(00hc)cos1()cos1(00200cmhcmhhc00c由有)cos1()cos1()()(02020hcmhh入射光子能量(h0)越高，散射损失的能量越高(h)也是电子获得的反冲动能)cos1()cos1()(00200cmhcmhhch一.德布罗意波§7-4光和微观粒子的波粒二象性类比：1924年法国年轻的博士德布罗意提出设想：实物粒子与光一样也具有波粒二象性hmcE2hmvp一.德布罗意波§7-4光和微观粒子的波粒二象性类比：1924年法国年轻的博士德布罗意提出设想：实物粒子与光一样也具有波粒二象性hmcE2hmvp与实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波)---德布罗意公式hEph或hmc222201cvhcmmvh2201cvvmh1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖1927年美国的戴维孙和革末实验证实了实物粒子波动性二.实物粒子波动性实验观察到在晶体表面电子的衍射现象与x射线的衍射现象相类似电子枪探测器镍单晶加速电极----电子具有波动性同年，小汤姆逊的电子束穿过多晶薄膜后的衍射实验，得到了与x射线实验极其相似的衍射图样戴维孙和小汤姆逊同获1937年诺贝尔物理学奖x-射线电子大量实验证实除电子外，中子、质子以及原子、分子等都具有波动性，且符合德布罗意公式----一切微观粒子都具有波动性[例5]静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度VC。求德布罗意波长解：2021vmeU02meUvvmh0002meUmhUemh02m102.1210UoA2.12U三.德布罗意波的统计解释1926年德国物理学家玻恩首先提出概率波的概念：粒子落在屏上哪一点具有偶然性；在某一时刻，空间某点附近粒子出现的概率与该时、该处物质波的强度成正比。峰值处粒子出现的概率大，暗纹处粒子出现的概率小