康普顿效应及其解释

康普顿效应名词解释在原子物理学中，康普顿散射，或称康普顿效应（英语：Compton effect），是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用，因失去能量而导致波长变长的现象。

相应的还存在逆康普顿效应——光子获得能量引起波长变短。

这一波长变化的幅度被称为康普顿偏移。

康普顿效应通常指物质电子云与光子的相互作用，但还有物质原子核与光子的相互作用——核康普顿效应存在。

康普顿效应首先在1923年由美国华盛顿大学物理学家康普顿观察到，并在随后的几年间由他的研究生吴有训进一步证实。

康普顿因发现此效应而获得1927年的诺贝尔物理学奖。

这个效应反映出光不仅仅具有波动性。

此前汤姆孙散射的经典波动理论并不能解释此处波长偏移的成因，必须引入光的粒子性。

这一实验说服了当时很多物理学家相信，光在某种情况下表现出粒子性，光束类似一串粒子流，而该粒子流的能量与光频率成正比。

在引入光子概念之后，康普顿散射可以得到如下解释：电子与光子发生弹性碰撞（弹性碰撞产生的非弹性散射），电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出，整个过程中总动量守恒，如果光子的剩余能量足够多的话，还会发生第二次甚至第三次弹性碰撞。

康普顿散射可以在任何物质中发生。

当光子从光子源发出，射入散射物质（一般指金属）时，主要是与电子发生作用。

如果光子的能量相当低（与电子束缚能同数量级），则主要产生光电效应，原子吸收光子而产生电离。

如果光子的能量相当大（远超过电子的束缚能）时，则我们可以认为光子对自由电子发生散射，而产生康普顿效应。

如果光子能量极其大（>1.022百万电子伏特）则足以轰击原子核而生成一对粒子：电子和正电子，这个现象被称为成对产生。

由于光子具有波粒二象性，因此，应该可以用波动理论诠释这效应。

埃尔温·薛定谔于1927年给出半经典理论。

这理论是用经典电动力学来描述光子，用量子力学来描述电子。

:28, 286康普顿效应对放射生物学十分重要，由于它是高能量X射线与生物中的原子核间，最有可能发生的相互作用，因此亦被应用于放射疗法。

康普顿效应及其解释练习1 两块瓷片，在常温下，一片黑色，另一片白色．使它们加热到能够发光的相同温度，这时，哪一块瓷片更明亮？答：吸收能力强的物体，必定辐射能力强．黑色瓷片的吸收能力大大超过白色瓷片；黑色瓷片的辐射能力也超过白色瓷片．在常温下，它们辐射的是红外电磁波，人们的眼睛无法区分．使它加热到能够发出可见光的相同温度时，将看到黑色瓷片更明亮．把一片黑白花纹的瓷片投人炉中，使它们达到发光的温度，就会看到黑纹比白纹更亮．2 .试估计一下人体辐射最强的波长，此辐射在电磁波谱的哪一区域？解：人体正常温度为（273＋37）K ＝310 K ，由维恩位移定律T λm =b 得m T b m μλ35.91035.9310108978.263=⨯=⨯==-- 此辐射在红外线区间．3．某金属在一束绿光照射下产生光电效应．试问，如果（l ）改用更强的绿光照射；（2）改用强度相同的蓝光照射，光电效应有何变化？答人1）根据光子论，用更强的绿光照射在单位时间内会产生更多光电子，因而饱和电流增大，但光电子的最大初动能不会变化，故遏止电压不变；（2）蓝光频率比绿光高，光子能量大，产生的光电子初动能大，因而遏止电压变大（指反向电压的绝对值），但由于光强度 I ＝nh γ.I 不变而γ增大，因此单位时间内照射在单位面积金属上的光子数n 减少，产生的光电子数减少，故饱和光电流下降．4. 光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程．对此，以下几种理解哪些是正确的？（A ）两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律（B ）两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程（C ）两种效应都属于电子吸收光子的过程（D ）光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程 答：选（D ）．5．某金属在一束绿光照射下产生光电效应．试问，如果（l ）改用更强的绿光照射；（2）改用强度相同的蓝光照射，光电效应有何变化？答人1）根据光子论，用更强的绿光照射在单位时间内会产生更多光电子，因而饱和电流增大，但光电子的最大初动能不会变化，故遏止电压不变；（2）蓝光频率比绿光高，光子能量大，产生的光电子初动能大，因而遏止电压变大（指反向电压的绝对值），但由于光强度 I ＝nh γ,I 不变而γ增大，因此单位时间内照射在单位面积金属上的光子数n 减少，产生的光电子数减少，故饱和光电流下降．6．光电效应和康普顿效应在对光的粒子性的认识方面，其意义有何不同？试小结一下两种效应在产生条件、过程机制以及入射光子与电子组成的系统在相互作用过程中遵循的物理规律等方面的异同．答：光电效应的实验结果无法用光的电磁波理论来解释，是爱因斯坦提出光子理论的一个直接的实验基础，它揭示了光子的能量与频率的关系，表明在光子与电子相互作用过程中遵守能量守恒定律．康普顿效应除再一次证实了光的粒子性以及光子与电子作用遵循能量守恒定律外，还验证了光子的动量与光波长的关系，它与电子相互作用过程中遵守动量守恒定律．两种效应都是光子与电子间的相互作用，都满足能量守恒定律．不同之处在于两种效应中入射光子的能量不同．在光电效应中，人射光一般为可见光与紫外光，光子能量约几个eV，与原子外层电子的束缚能相当，光子与电子相互作用时不能忽略原子核对电子的作用，因而不能将电子看成孤立的自由电子，这样光子与电子系统在作用过程中动量不守恒．而在康普顿效应中，入射的一般为X光，光子能量约104－105eV，此时原子外层电子的电离能（小于102eV）及电子脱离金属的逸出功都可忽略，该电子可近似看成孤立的自由电子，在光子与电子作用过程中既满足能量守恒定律，又满足动量守恒定律．。

2019-2020年高中物理第2章第3、4节康普顿效应及其解释光的波粒二象性学案粤教版选修3-51．用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象称为康普顿效应．2．按照经典电磁理论，散射前后光的频率不变，因而散射光的波长与入射光的波长相等，不应该出现波长变长的散射光．3．光子不仅具有能量，其表达式为ε＝hν，还具有动量，其表达式为p＝hλ.4．光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性；光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，必须看成是一颗颗光子的形式出现的，具有粒子性．5．双缝干涉中每次穿过双缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生干涉．但光的干涉还是发生了．可见，波动性是每一个光子的属性．光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子都无法完整地描述光的所有性质．6．光既有波动性，又有粒子性，我们把光的这种性质叫做光的波粒二象性．7．干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映．这种概率分布就好像波的强度的分布，称光波是一种概率波．基础达标1．人类对光的本性的认识经历了曲折的过程．下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是(A)A．牛顿的“ 微粒说” 与爱因斯坦的“ 光子说” 本质上是一样的B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性解析：牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．2．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，如图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向________运动，并且波长________(选填“ 不变” 、“ 变短” 或“ 变长” )．解析：根据动量守恒定律知，光子与静止电子碰撞前后动量守恒，相碰后合动量应沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向运动，由于动量变小，故波长应变长．答案：1 变长3．(多选)下列有关光的说法正确的是(BD )A ．光电效应表明在一定条件下，光子可以转化为电子B ．大量光子易表现出波动性，少量光子易表现粒子性C ．光有时是波，有时是粒子D ．康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量 4．下列实验中，能证实光具有粒子性的是(A ) A ．光电效应实验 B ．光的双缝干涉实验 C ．光的圆孔衍射实验 D ．泊松亮斑实验解析：光电效应证明光具有粒子性，A 正确．光的干涉和衍射可证明光具有波动性．B 、C 、D 错误．5．下列现象能说明光具有波粒二象性的是(D ) A ．光的色散和光的干涉 B ．光的干涉和光的衍射 C ．光的反射和光电效应 D ．泊松亮斑和光电效应解析：光的色散、光的反射可以从波动性和粒子性两方面分别予以理解，故A 、C 选项错误．光的干涉、衍射现象只说明光的波动性，B 选项错误．泊松亮斑能说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，故D 选项正确．能力提升6．下列关于光的波粒二象性的理解，正确的是(D )A ．大量的光子中有些光子表现出波动性，有些光子表现出粒子性B ．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C ．高频光是粒子，低频光是波D ．波粒二象性是光的属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 解析：光的波粒二象性是光的属性，不论其频率的高低还是光在传播或者是与物质相互作用，光都具有波粒二象性，大量光子的行为易呈现出波动性，个别光子的行为易表现出粒子性，光的频率越高，粒子性越强，光的频率越低，波动性越强，故A 、B 、C 错误，D 正确．7．(多选)下列各种波是概率波的是(CD ) A ．声波 B ．无线电波 C ．光波 D ．物质波解析：声波是机械波，A 错．电磁波是一种能量波，B 错．由概率波的概念和光波以及物质波的特点分析可以得知光波和物质波均为概率波，故C 、D 正确．8．根据爱因斯坦的“光子说”可知(B ) A ．“光子说”的本质就是牛顿的“微粒说” B ．光的波长越长，光子的能量越小 C ．一束单色光的能量可以连续变化 D ．只有光子数很多时，光才具有粒子性解析：爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份的，是不连续的，它并不否定光的波动性，而牛顿的“微粒说”与波动说是对立的，因此A 错误．在爱因斯坦的“光子说”中光子的能量ε＝h ν＝hcλ；可知波长越长，光子的能量越小，因此B 正确．某一单色光，波长恒定，光子的能量也是恒定的，因此C 错误．大量光子表现为波动性，而少数光子才表现为粒子性，因此D 错误．9．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b 处，则b 处是(A )A ．亮纹B ．暗纹C ．既有可能是亮纹也有可能是暗纹D ．以上各种情况均有可能解析：由光子按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b 点，故b 处一定是亮纹，选项A 正确．10．在康普顿效应实验中，X 射线光子的动量为h νc，一个静止的C 原子吸收了一个X 射线光子后将(B )A ．仍然静止B ．沿着光子原来运动的方向运动C ．沿光子运动的相反方向运动D ．可能向任何方向运动解析：由动量守恒定律知，吸收了X 射线光子的原子与光子原来运动方向相同，故正确选项为B.2019-2020年高中物理 第2章 第3节 欧姆定律教案 新人教版选修3-1三维目标 知识与技能1．理解电阻的概念，明确导体的电阻是由导体本身的特性所决定； 2．理解欧姆定律，并能用来解决有关电路的问题；3．知道导体的伏安特性曲线，知道什么是线性元件和非线性元件。