第三节 康普顿效应及其解释

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1．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时， 光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为 λ， 碰撞后的波长为 λ′，则碰撞过程中( )
A．能量守恒，动量守恒，且 λ＝λ′ B．能量不守恒，动量不守恒，且 λ＝λ′ C．能量守恒，动量守恒，且 λ＜λ′ D．能量守恒，动量守恒，且 λ＞λ′
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
Байду номын сангаас
(1)散射光波长的变化，是入射光与物质中的自由电子发生碰撞
的结果．
(√ )
(2)光的电磁理论能够解释康普顿效应．
( ×)
×
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2．一个沿着一定方向运动的光子和一个原来静止的自由电子相 互碰撞，碰撞之后电子向某一方向运动，而光子沿着另一方向散射 出去．则这个散射光子跟原来入射时相比( )
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【例 1】 (多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散 射时，发现在散射的 X 射线中，除了有与入射波长 λ0 相同的成分外， 还有波长大于 λ0 的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效 应，下列说法正确的是( )
A．康普顿效应现象说明光具有波动性 B．康普顿效应现象说明光具有粒子性 C．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少
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BD [康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应，在散射过 程中 X 射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能 量守恒定律，故 B、D 正确，A、C 错误．]
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对康普顿效应的三点认识 1．光电效应应用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应应用于讨论 光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题． 2．假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞．光子和电子相碰撞时，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． 3．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光 子说的正确性．

A．光是机械波，且可以携带信息 B．光具有波动性，且可以携带信息 C．光具有粒子性，但不可携带信息 D．光具有波粒二象性，但不可携带信息
B [光是一种电磁波，不是机械波，故 A 选项错误；光的衍射 现象，说明光具有波动性，可以携带信息，故 B 选项正确，C、D 选 项错误．]
3．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，而且具有动量．如图 所示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 ()
C [光子与电子碰撞过程中，能量守恒，动量也守恒，因光子 撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子，光子的能量减少， 由 E＝hλc可知，光子的波长增大，即 λ′＞λ，故 C 正确．]
对光的波粒二象性的理解
1.光的粒子性的含义 粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子， 不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量． (1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质． (2)少量或个别光子易显示出光的粒子性． (3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．
二、光的波粒二象性 2．概率波 在光的干涉实验中，每个光子按照一定的概率落在感光片的某 一点上．概率大的地方落下的 光子多 ，形成 亮纹 ；概率小的地方 落下的 光子少 ，形成 暗纹．所以，干涉条纹是光子落在感光片上各 点的 概率 分布的反映．这种 概率 分布就好像波干涉时强度的分 布．从这个意义上讲，有人把对光的描述说成是概率波．
λ
二、光的波粒二象性
1．光的波粒二象性的本质 (1)光的 干涉 和 衍射 实验表明，光是一种电磁波，具有波动性． (2) 光电效应 和 康普顿效应 则表明，光在与物体相互作用时， 是以一个个 光子 的形式出现的，具有粒子性． (3)光既有 粒子性 ，又有 波动性 ，单独使用波或粒子的解释都 无法完整地描述光所有的 性质 ，这种性质称为波粒二象性．

一.康普顿散射的实验装置与规律：
X 射线管
光阑
晶体
散射波长
0
j
探 测 器
石墨体 (散射物质)
X 射线谱仪
康普顿正在测晶体 对X 射线的散射 按经典电磁理论： 如果入射X光是某 种波长的电磁波， 散射光的波长是 不会改变的！
j =0O
..... .. ...... . . .. . .... . . . . . ... .. ... .... . ... . ... . . . .. . . .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
第三节 康普顿效应及其解释
光的波动理论在解释 光电效应时遇到了巨大的 困难。后来，爱因斯坦在 普朗克量子化理论的启发 下，提出了光子学说．
普朗克 爱因斯坦
E h
1.光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射 2.康普顿效应 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的 实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同 的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其 波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。
小结1
5. 康普顿散射实验的意义：
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设； （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和 能量守恒定律仍然是成立的。
6. 光子的能量和动量
7. 用可见光能否观察到康普顿散射？
E h
P
h
0
0.700 0.750
散射中出现 ≠0 的现象，称 为康普顿散射。
j =45O j =90O

康普顿效应
[例1]
频率为ν的光子，具有的能量为hν，将这个光
子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的运动方 向，这种现象称为光的散射。散射后的光子 A．虽改变原来的运动方向，但频率保持不变 B．光子将从电子处获得能量，因而频率将增大 C．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条 直线上，但方向相反 D．由于电子受到碰撞，散射后的光子频率低于入射 光的频率 ( )
对康普顿效应的理解
1．康普顿效应现象 用 X 射线照射物体时， 散射出来的 X 射线的波长会变长 的现象称为康普顿效应。 2．康普顿效应的经典解释 单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起 受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。 经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效 应不能作出合理解释。
考向一 考向二
第三节
康普顿效应及其解释
1．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
3．康普顿效应的光子理论解释 X射线为一些ε＝hν的光子，与自由电子发生完全弹性 碰撞，电子获得一部分能量，散射的光子能量减少，频率 减小，波长变长。
(1)光的散射是光在介质中与物质微粒的相互作 用，使光的传播方向发生改变的现象。 (2)散射光中也有与入射光有相同波长的射线，这 是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞 后，能量不变，故散射光频率不变。
[答案]
D
根据光子理论运用能量守恒和动量守恒解释康普顿 效应。理论与实验符合得很好，不仅有力的验证了光子 理论，而且也证实了微观领域的现象也严格遵循能量守 恒和动量守恒。 对康普顿现象的理解，可以类比实物粒子的弹性碰 撞，在散射过程中要遵守动量守恒和能量守恒。

Il 较大 I l0
二、光子论对康普顿效应的解释
1. 经典物理遇到的困难 • 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: l 0 o 在 • 电磁波为横波， j 90 方向无散射波 经典物理无法解释康普顿效应.
l 10.24nm
'
Ek 4.6610 J
17
44 18
o
'
在康普顿效应中，入射的 x 射线波长为 5.00×10-2nm, 求在散射角为60°方向上 散射 x 射线的波长和引起这种散射的反 冲电子所获得的动能。
h l l0 (1 cos ) m0c h 2.43 1012 m m0c
E p c E
2 2 2
2 0
E0 0 ,
E h h p c c l
E pc
“波粒二象性”
借用经典“波”和“粒子” 术语，但既不是经典波，又 不是经典粒子
描述光的 粒子性
IA IN
2
E h
p h
描述光的 波动性
l
N A2
振幅越大，表示光子数越多， 光子到达该处概率越大
—— 概率波
1.波长为0.710Ǻ的X射线投射到石墨上，在与入射方向 成45o角处，观察到康普顿散射的波长变化为多少Ǻ? A. √ 0.0071 B. 0.071 C. 0.036 D. 0.703 2.波长为=0.0708nm的x射线,在石蜡上受到康普顿散射, 则在方向上所散射的x射线的波长为 ：
)m0c 2.0410 ( J )
2
14
Ek l0
hc

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。
E hv c / v
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。
碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以 波长的改变和散射角有关。
康普顿效应作出了重要贡献。
吴有训的康普顿效应散射实验曲线：
散射角 1200
曲线表明： 1、与散射物质无关，仅与散射角有关。
2、轻元素 I I0，重元素 I I0 。
吴有训工作的意义： 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
对证实康普顿效应 作出了重要贡献
在康普顿的一本著作 “ X Rays in theory and experiment ” （1935）中，有19处引用了 吴有训的工作。 书中两图并列作为康普顿效应 的证据。
20世纪50年代的吴有训
吴有训（1897—1977） 物理学家、教育家、
中国科学院副院长， 1928年被叶企孙聘为清 华大学物理系教授， 曾任清华大学物理系 主任、理学院院长。
(c) 度
强
(b) 对
相
(d)
康 (a)
系
的 关
度
角
与
散 射
普 顿
2. 光子理论的解释
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。
2.1 光子理论对康普顿效应的解释

第十五单元 量子物理
Quantum Physics
第三讲 应
康普顿效
Compton Effect
康普顿 pton(1892---1962) 美国实验物理学家，芝加哥大学教授。 因发现康普顿效应而获得 1927 年诺贝尔物理学
奖
一、康普顿效应的实验及其规律
1 、实验装置
K-
X
射

0

自由 电子
1) 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
三、康普顿效应的理论解释
光子理论解释 1) X 射线由 h的光子组成；
2) 光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞。
0

0
0
自由 电子
原子
2) X 射线光子和原子内层电子相互作用
方向成
角的方向上观察，
内层电子被束缚很紧，光子相当于和整个原子发生碰撞。 光子质量远小于原子质量，碰撞时光子不会明显损失能量， 波长不变。
三、康普顿效应的理论解释
光子理论解释 1) X 射线由 h的光子组成；
2) 光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞。
0

自由 电子
结论
波长变化 X 光子
0
p 0

hν0 c
e0
p

hν c
en

碰撞过程中动量守恒
e
x
hν0 c
e0

hν c
en
mv
hν0 c

hν c
cos
mv cos
,
0

5.康普顿效应的意义: (1)证明了爱因斯坦光子假说的正确性; (2)揭示了光子不仅有能量h ν,还有动量 p=h /λ; (3)揭示了光具有粒子性;
6.巩固练习: (1)假如一个光子与一个静止的电子碰撞, 光子并没有被吸收,只是电子被反弹回来, 散射光子的频率和原来光子的频率相比中电子 的受迫振动,这种振动频率必与入射波的频 率相同,从而引起的散射波也应该与入射波 的频率相同,而散射前后介质相同,所以散射 前后波长也不变. 光波波长在散射 4.康普顿效应的理论解释: 前后不变 光子与静止的电子发生碰撞,光子把部分能 量转移给了电子能量由hν减小为h ν’,因此频 率减小,波长变大; 同时光子要把一部分动量转移给电子,因而 光子动量减小,由P= h / λ 看,散射后有些光 子波长变长;
第三节 康普顿效应及其解释
1.康普顿效应: 用x射线照射物体时,散射出来的x射线的 波长会变长.
x射线谱仪

石墨体
康普顿效应：在散射的 x射线中，不但 存在与入射线波长相同的反射线，同 时还存在波长大于入射线波长的反射 线现象。
x射线谱仪

石墨体
说明:光子在介质中和物质微粒相互作用, 使得光的传播方向转向其他方向的现 象 2.光子的动量: p= h /λ 光子的能量： E=hν 3.经典电磁理论的困难:

h 12 C 2.4310 m m0c
h (1 cos ) C (1 cos ) m0 c
第十五章 量子物理
12
物理学
第五版
15-3
康普顿效应
4 结论
散射光波长的改变量 仅与 有关.
0, 0
π, ( ) max 2C
因可见光光子能量不够大，原子内的电子不能视为 自由，所以可见光不能产生康普顿效应。
第十五章 量子物理
14
物理学
第五版
15-3
康普顿效应
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 0 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.
第十五章
量子物理
17
物理学
第五版
15-3
康普顿效应
解 （1） C (1 cos ) C (1 cos 90 ) C

2.431012 m
（2） 反冲电子的动能
0 Ek m c m0c (1 ) 295eV 0 0
2 2
物理学
第五版
15-3
康普顿效应
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.
第十五章
量子物理
1
物理学
第五版
15-3
康普顿效应
一
实验装置
第十五章
量子物理
2
物理学
hc
hc
hc

例题4、康普顿效应的主要特点是 例题 、康普顿效应的主要特点是:[D] (A)散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减 散射光的波长均比入射光的波长短， 散射光的波长均比入射光的波长短 但与散射体的性质无关． 小，但与散射体的性质无关． (B)散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体 散射光的波长均与入射光的波长相同， 散射光的波长均与入射光的波长相同 与散射角、 性质无关． 性质无关． (C)散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长 散射光中既有与入射光波长相同的， 散射光中既有与入射光波长相同的 的和比入射光波长短的.这与散射体性质有关 这与散射体性质有关． 的和比入射光波长短的 这与散射体性质有关． (D)散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而 散射光中有些波长比入射光的波长长， 散射光中有些波长比入射光的波长长 增大，有些散射光波长与入射光波长相同． 增大，有些散射光波长与入射光波长相同．这都与散射体的性质 无关． 无关．
四、光的波-粒二象性 光的波光不仅具有波动性，还具有粒子性。这种双重性称为波– 光不仅具有波动性，还具有粒子性。这种双重性称为波– 粒二象性。 粒二象性。 波动性和粒子性之间的联系如下： 波动性和粒子性之间的联系如下：
hc mϕ = 2 = 2 c c hν h p = mϕc = = c λ
分别为光子的质量和动量。 mϕ p 分别为光子的质量和动量。
θ
x Pe
散射后X射线波长的改变为 解 (1)散射后 射线波长的改变为 散射后
∆λ =
2h m0c
sin
2ϕ 2
=
2×6.63×10−34 J ⋅s 9.11×10−31 kg×3×108 m⋅s−1
sin2 π 4