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康普顿效应

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15-3 康普顿效应

15-3 康普顿效应

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

康普顿效应

康普顿效应

2-4 光的波粒二象性
光电效应以及康普顿效应无可 辩驳的证实了光是一种粒子．
爱因斯坦
康普顿
光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性
当我们用很弱的光做双缝干涉实验时，将感光胶片 放在屏的位置上，会看到什么样的照片呢？为什么会 有这种现象？
点 击 观 看 动 画
当光源和感光胶片之间不可能同时有两个和多个光 子时，长时间曝光得到的照片仍然和光源很强、曝光时 间较短时一样，则光的波动性不是光子之间的相互作用 引起的． 波动性是光子本身的一种属性
物体的波长 物体的动量
人们把这种波叫做物质 波，也叫德布罗意波．
德布罗意
h h p mc 2 c c C
又因为：

c


h
所以：
p

h p
宏观物体的德布罗意波的波长比 微观粒子的波长小的多，很难观察 到它们的波动性，但是微观粒子的 情形完全不同，1927年，两位美国 物理学家利用观察“电子束照射到 晶体晶格上发生的衍射现象”证实 了德布罗意的假设．
经典电磁理论在解释康普顿效应 时遇到的困难:
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 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。 无法解释波长改变的现象。
光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞 的结果，具体解释如下： 1. 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。
•康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强 度。当θ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。当θ≠0（如45°、90°、135°）时， 发现存在两种频率的散射光。一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低。后者 随角度增加偏离增大。

第三节_康普顿效应及其解释

第三节_康普顿效应及其解释

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:

康普顿效应

康普顿效应

（1)在同一散射角下，所有散射物质波长的改变 ∆λ 都 1)在同一散射角下， 在同一散射角下 是相同的。所以康普顿散射 康普顿散射只能是光子与所有物质原子 是相同的。所以康普顿散射只能是光子与所有物质原子 中的共同成分相互作用的结果。这一成分必是电子。 中的共同成分相互作用的结果。这一成分必是电子。因 此假设康普顿散射是光子与电子碰撞的结果 康普顿散射是光子与电子碰撞的结果。 此假设康普顿散射是光子与电子碰撞的结果。 （2）光子与电子碰撞后光子将沿某一方向被散射，这一 光子与电子碰撞后光子将沿某一方向被散射， 方向就是康普顿散射的方向。 方向就是康普顿散射的方向。光子在与电子碰撞中可能 损失部分能量使波长变长。 损失部分能量使波长变长。 如果光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞， （3）如果光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，这时 相当于光子与整个原子进行碰撞。 相当于光子与整个原子进行碰撞。因为 m >> m光子
2、康普顿散射的实验规律 、康普顿散射的实验规律 I (1)在散射光线中有与入射光波长 在散射光线中有与入射光波长 相同的射线也有波长大于入射 的射线也有波长大于 相同的射线也有波长大于入射 光的射线; 光的射线 (2)在原子量较小的物质中，康普 I 在原子量较小的物质中， 在原子量较小的物质中 顿散射较强。 顿散射较强。对原子量较大的 物质，康普顿散射较弱; 物质，康普顿散射较弱; (3)波长的改变量 ∆λ = λ − λ0 波长的改变量 I 的增加而增加; 随散射角ϕ 的增加而增加 (4)在同一散射角下，所有散射 在同一散射角下， 在同一散射角下 物质波长的改变 ∆λ都是相 同的。 同的。
= hν
(2)光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞。 (2)光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞。 光子与实物粒子一样

康普顿效应

康普顿效应

康普顿效应康普顿效应是指X射线与物质相互作用时发生的散射现象。

这一现象是由美国物理学家康普顿于20世纪20年代首次发现和研究的，因此得名。

1. 康普顿效应的原理康普顿效应的原理可以通过经典的散射理论进行解释。

当X射线与物质发生散射时，X射线会和物质中的自由电子发生相互作用。

根据经典电磁理论，电磁波的能量与频率有关，而不受辐射源的改变。

因此，当X射线被散射时，其频率保持不变。

然而，康普顿发现当X射线与自由电子相互作用时，散射X射线的频率发生了变化。

他的实验表明，散射X射线的频率比入射X射线的频率低，且频率差与散射角度成正比。

这一发现违背了经典电磁理论的预期，为新的量子理论提供了重要的实验依据。

2. 康普顿散射公式康普顿散射公式描述了康普顿效应中散射X射线频率变化和散射角度之间的关系。

该公式可以用来计算散射角度和散射波长之间的关系。

康普顿散射公式的表达式如下：λ' - λ = (h / m_e) * (1 - cosθ)其中，λ’是散射X射线的波长，λ是入射X射线的波长，h是普朗克常数，m_e 是电子的质量，θ是散射角度。

康普顿散射公式的重要性在于它揭示了X射线的粒子性质。

通过实验测量散射角度和散射波长之间的关系，可以验证量子理论对X射线的正确性。

3. 康普顿效应的应用康普顿效应在物理学和医学领域有广泛的应用。

3.1 X射线散射的研究康普顿效应的发现为研究物质的结构和性质提供了新的手段。

通过测量散射X射线的频率和角度，可以获取有关物质中电子的信息。

这对于研究晶体结构、材料表面性质等具有重要意义。

3.2 医学影像学康普顿效应在医学影像学中的应用非常广泛。

通过X射线扫描，可以获取人体内部组织和骨骼的影像。

康普顿效应的散射X射线可以提供有关组织密度和成分的信息，进而帮助医生进行疾病诊断和治疗方案的制定。

3.3 安全检测康普顿效应也被应用于安全检测领域。

通过测量散射X射线的频率和散射角度，可以检测出携带危险物品或非法物品的人员。

康普顿效应ppt课件

康普顿效应ppt课件
米氏散射
当光线通过大气中的气溶胶时，会发生米氏散射。米氏散射的散射强度与波长 的二次方成反比。
相关诺贝尔奖得主介绍
康普顿
康普顿因发现康普顿效应而获得 1927年诺贝尔物理学奖。
德布罗意
德布罗意提出物质波理论，认为所 有微观粒子都具有波粒二象性，并 因此获得1929年诺贝尔物理学奖 。
戴维森和汤姆逊
光学仪器设计
在光学仪器设计中，利用康普顿效应可以更好地控制和调 整光的传播路径和聚焦，提高仪器的准确性和稳定性。
医学成像与诊断
康普顿效应在医学成像与诊断中发挥了重要作用，如X射 线和CT成像技术，通过探测光子与物质相互作用产生的散 射和能量变化来获取人体内部结构信息。
对未来科技发展的启示
1 2 3
偏转角的大小取决于入射光子的能量、物质的性质以及碰撞过程中的散射角。
通过测量偏转角，可以研究物质的结构和性质，以及光子与物质的相互作用机制。
03
康普顿效应的实验验证
实验设备与材料
康普顿散射实验装置 光电倍增管
X射线源 测量仪器
实验步骤与操作
将X射线源放置在实验装置的一端 ，将光电倍增管放置在另一端， 用于检测散射后的X射线。
康普顿散射的过程
入射光子与物质原子或分子的电子发 生碰撞，传递能量和动量给电子。
散射光子的能量低于入射光子的能量 ，这是由于部分能量传递给电子。
电子获得能量后，跃迁到更高能级， 并释放出一个与入射光子方向不同的 散射光子。
康普顿效应的定量描述
康普顿散射的偏转角是一个重要的物理量，它描述了散射光子与入射光子之间的夹 角。
康普顿效应PPT课件
contents
目录
• 康普顿效应概述 • 康普顿效应的物理原理 • 康普顿效应的实验验证 • 康普顿效应的意义与影响 • 康普顿效应的扩展知识

康普顿效应

康普顿效应compton effect概述1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外，还产生了波长l>l0 的x光，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(compton effect)。

用经典电磁理论来解释康普顿效应遇到了困难。

康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释.我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。

对康普顿散射现象的研究经历了一、二十年才得出正确结果。

康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。

这在物理学发展史上占有重要的位置。

光子在介质中和物质微粒相互作用时，可能使得光向任何方向传播，这种现象叫光的散射．1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒．按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。

这种现象叫康普顿效应。

发现1922～1923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。

这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。

康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上，然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度。

当θ=0时，只有等于入射频率的单一频率光。

当θ≠0（如45°、90°、135°）时，发现存在两种频率的散射光。

一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低。

后者随角度增加偏离增大。

实验结果：(1)散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外还有λ＞λ0的谱线。

12-2康普顿效应和玻尔理论

一、 康普顿效应
1920年，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 生变化了的成分.
12-2 康普顿效应和玻尔理论
1.实验规律
I（相对强度）
0
0
45
• 散射线波长的改变量 =-0 随 散射角 增加而增加。
• 在同一散射角下 相同 , 与散射
90 135
物质和入射光波长无关。
2
2m0c
hv0 c
h
c
mv2
动量守恒： mv 2
h
c
2
h 0
c
2
2
h
c
h 0
c
cos
消去mv，得：
2
hv0 c
h
c
2m0c
hv0 c
h
c
2
hv0 c
h
c
cos
m0c
h
0
h
h
0
h
1 cos
方程两边乘 0 ，得到：
康普顿公式
0
h m0c
(1
cos )
6562.8
记录氢原子光谱原理示意图
红 12-2 康普顿效应和玻尔理论
蓝
紫
3. 氢原子玻尔理论的意义和困难 （1）正确地指出原子能级的存在（原子能量量子化）； （2）正确地指出定态和角动量量子化的概念； （3）正确的解释了氢原子及类氢离子（单电子）光谱；
（4）无法解释比氢原子更复杂的原子（多电子）； （5）把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的； （6）是半经典半量子理论，存在逻辑上的缺点，即把
解： 设氢原子全部吸收电子的能量后最高能激发到第 n个能级，此能级的能量为-13.6/n2, 所以

康普顿效应

7
16-3 康普顿效应
第十六章 量子物理
能量守恒
hv0 m0c h mc
2
2
动量守恒
h y e h 0 c e0 e c
h 0 h e0 e mv c c
2 2 2 2 0 2 2
e0

x
mv
2
h h 0 h 即： m v 2 2 2 cos 2 c c c
10
16-3 康普顿效应
第十六章 量子物理
h 康普顿公式 (1 cos ) C (1 cos ) m0 c （3）讨论 ①.散射光子能量减小； 0 , 0
②.散射波长改变量 只和 有关， ；
＝0 ＝0，只有 0 的散射光； ＝90° ＝ c，有0和 0＋c 两种散射光； ＝180° ＝2c，有 0和 0＋2c 两种散射光。
③.为何只有X光才有康普顿散射现象? ∵散射波长改变量 的数量级为 1012m，对于可见光 波长 ~107m，<<，所以观察不到康普顿效应。 只有0也很小时，才有明显的。
11
16-3 康普顿效应
第十六章 量子物理
④.为什么还有 0的散射光存在? ∵这些光子与束缚较紧的电子的碰撞，应看作是和整 个原子相碰。由于原子质量 >> 光子质量，在弹性 碰撞中散射光子的能量（波长）几乎不变。 ∴光子碰撞后，散射光频率不变（仍为0 ）。 四 物理意义
（1）物理模型假定：入射光由光子组成；X射线散射 是单个光子和单个电子发生碰撞的结果。 5
16-3 康普顿效应
第十六章 量子物理
光子
0
y
v0 0
电子
y

§8-6康普顿效应

§8-6 康普顿效应光的量子的、微粒的性质，尤其是光子具有能量、质量、动量，光在和物质发生作用时上述量的守恒性，在康普顿于1922年观察伦琴射线的散射现象中，更明显地表示出来，由于伦琴射线的波长很短，所以即使通过不含杂质的均匀物质时，也可观察到散射现象，康普顿的研究碳、石蜡等物质中的这种散射时，发现散射谱线中除了波长和原射线相同的成分以外，还有一些波长较长的成分，两者差值的大小随着散射角的大小而变，其间有确定的关系，这种波长改变的散射称为康普顿效应，从波动理论来看，散射光是电子受到入射光的作用发生强迫振动，而向各个方向发出的次波所引起的，强迫振动的频率和散射光的频率都应与入射光频率相同，显然散射光波长发生改变的康普顿效应又是难以用波动观点来解释的。

把具有波长00.7078oA λ=的钼的特征伦琴线入射在石墨上，被石墨散射在各个方向上的伦琴射线可用X 光分光计或摄谱仪来测定θD 1D 2D 1D 2散射物体X 光分光计PP (图8－13)（图8-13），这时除有波长不变的散射光外，还有一些波长较长的散射光出现，波长的改变0λλλ∆=-与入射伦琴射线的波长0λ以及散射物质都无关，而与散射方向有关，若用θ表示入射钱方向与散射线方向之间的夹角，k 表示散射角为90︒时波长的改变值，则波长的改变与角θ的关系可用下式表示：202sin 2k θλλλ∆=-= （8-24） 式中12(2.42630890.0000040)10k m -=±⨯是由实验测出的常数。

θ=00λ0θ=450λθλθ=900λθλθ=1350λθλ(图8－14) 图8-14表示散射角45θ=︒、90︒、135︒时，散射伦琴射线的强度随波长分布的情况，0θ=代表在入射伦琴线中强度的分布，λ-λ0=0.024Aλ0λC λ0λC aλNiλ0（图8－15） 图8-15表示散射角90θ=︒时，改变散射物质时的测定结果。

在康普顿效应中牵涉到的又是光和个别电子的相互作用，和以上所讲的光电效应一样，简单的波动理论是很难解释这种微观世界中的作用的，而必须用量子概念来解释。

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原子量小的物质，原子实对外层电子的束缚弱,所以 康普顿效应明显。原子量大的物质，康~不明显。
4.康普顿散射公式
假设光子与电子发生 完全弹性碰撞。
h 0 p0 e0 c
e m0

h p e c
j
自由电子（静止）
能量守恒
动量守恒
h 0 m 0c
2
h e0 e mv c c
m m0 / 1v
2
反冲电子质量
/c
2
解得： Δλ
λ λ0
c ν

c ν0

12
h m 0c
( 1 cos θ) λ ( 1 cos θ)
c
λc
h m0 c
2 .34 10
m 为康普顿波长
5.说明几点
P

mv
'
其中
'
由
'
h m 0c
1 cos
j
求得
(j 90 )

（2）由动量守恒的矢量图知 P ' 1 1 P ' tg tg ' P 解（1） 由
' h
h m 0c
P


2
1 cos
j ,已知 j
mv
mec 根据：E k h h ' 9 . 42 10 17 ( J ) 1 P ' 44 . 0 （2） tg P

4.P150-22 设康普顿效应中入射 X 射线波长 =0.70nm ，散射线与入射线相垂直，求反冲电子 的动能 Ek；反冲电子的运动方向偏离入射 X 射线 的夹角 ( h 6 . 63 10 34 J s ; m e 9 . 11 10 31 kg ). 。
P'
规律： （1）波长的改变量
Δλ λ λ0 仅与散射角θ有关
I ( 相对强度
入射线
)
0
与散射物质，入射波长无关。
（2）原子量小的物质，康~明显。 原子量大的物质，康~不明显。

45
0

90
X-ray


0
135

j =0 O
. ... ........ . . . . . ... . ....... . .. . . . ... .... . . ... . . .... .. . ... . .. ... .. . . . . . . . .. .. .. ..... . . .
“X-Rays in theory and experiment”(1935)中 两图并列作为康普顿效应的证据 0
1.黑体辐射，光电效应及康普顿效应皆突出表 明了光的 （A）波动性; （B）粒子性; [ B ] （C）单色性 ; （D）偏振性. 2.康普顿效应说明在光和微观粒子的相互作用 过程中，以下定律严格适用: （A）动量守恒、动能守恒； （B）牛顿定律、动能定律； （C）动能守恒、机械能守恒； [ D ] （D）动量守恒、能量守恒。
康普顿效应
康普顿效应实验全面验证了光子论。 同时还表明：能量守恒定律，动量守恒定律这两条基 本定律在微观粒子的相互作用中同样严格成立。
1.实验装置
石墨对X射线的散射
X 射线管
X 射线谱仪
θ 散射光,0

0
光阑
2.实验现象与规律

石墨体 (散射物质)
康普顿效应 在 X 射线通过物质散射时，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。
0.700 0.750
散射曲线的三个特点： 1.除原波长0外出现了移 向长波方向的新的散射波 长 2.新波长 随散射角的增 大而增大
j =45O
j =90O
3.当散射角增大时 原波长 j =135O 的谱线强度降低 而新波长的 谱线强度升高
波长 （A） λ
o
•经典理论又一次遇到困难
经典散射理论：
2
1 1 m 0 c 1 hc 0
其中
γ
1 1 V c
2 2

5 4
解： 入射光子 P , , , 散射光子 P ' , ' , ' , 反冲电子动量为mv （1）反冲电子的动能 等 分析： 于光子能量的减少 1 1 E k h h ' hc
康普顿 （A. pton) 美国人(1892-1962） 康普顿在做康普顿散射实验
三、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 1925—1926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 在同一散射角( j
当波长0的射线入射后 使电偶极子受迫振动
发出散射波的波长在各方均是0
•康普顿采用了爱因斯坦的光量子假说
成功地解释了实验现象
进一步证明了光量子假说的正确性
3.效应的定性解释
光子与实物粒子一样能与电子发生碰撞。
光电效应：光子与自由电子发生完全非弹性碰撞。 （1）与内层紧束缚电子碰撞： 光子的方向改变，能量不变λ=λ0 康普顿效应 （2）与外层弱束缚电子碰撞： a.飞出反冲电子,带走一部分能量 b.光子的能量减小。hν<hν0 ,λ>λ0
120
0
)测量各种波长的散射光
强度 做了大量 X 射线散射实验 对证实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
j 120
0
曲线表明 1. 与散射物质无关 仅与散射角有关 2.轻元素 I I 重元素 I I
0
0
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 在康普顿的一本著作 19处引用了吴的工作 吴有训 (1897—1977)
3.假定在康普顿实验中，入射光的波长 λ0=0.0030nm,反冲电子的速度V=0.6c,求散射光 的波长λ 。
( h 6 . 63 10
34
J s ; m e 9 . 11 10
31
kg ).
解： 反冲电子的动能等于光子能量的减少
E ek 0
2
mc
2
m0c h h 0
c 1 cos
0

X-ray


①.散射波长改变量 的数量级为 10-12m， 对于可见光波长 ～10-7m，<<，在光谱仪 中 与0分辨不开,所以观察不到康普顿效应。 对于X光波长 =7.1*10-2nm，～，可 观察到康普顿效应。
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 = h 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 P = E/c = h/c = h/ 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
0 . 0724 ( nm )