1、 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 普朗克能量子理论普朗克能量子理论 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论上讲内容：上讲内容：光与物质相互作用的基本形式光与物质相互作用的基本形式:光电效应光电效应光子论的提出光子论的提出康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应光子论的应用和检验光子论的应用和检验 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版*爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 光是以光速运动的光子流光是以光速运动的光子流 每个光子能量和动量每个光子能量和动量hcEmcp
2、hchE, 光强即光的能流密度光强即光的能流密度hNI N:单位时间通过垂直于单位时间通过垂直于c单位面积的光子个数单位面积的光子个数 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 19201920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X 射线被物质散射时，发现射线被物质散射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生了发生了变化变化的成分的成分散射束中除了散射束中除了有与入射束波长有与入射束波长 0相同的射线，还有波长相同的射线，还有波长 0 的射线的射线. 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.
3、2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版实验装置示意图实验装置示意图:X光被石墨散射光被石墨散射X 射线管射线管石墨体石墨体 X射射线线谱谱仪仪晶体晶体一一 实验装置实验装置 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版散射光散射光瑞瑞利利散散射射成成分分原原波波长长0康康普普顿顿散散射射成成分分0波长改变量波长改变量和散射物质无关和散射物质无关与与0有有关关只只与与散散射射方方向向原子量越小的物质，康普顿效应越显著原子量越小
4、的物质，康普顿效应越显著一一定定，轻轻元元素素散散射射一一定定，较大较大0II二二 实验结果实验结果 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版康普顿散射与散射角的关系康普顿散射与散射角的关系相相对对强强度度0.700 0.750()09045135 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版三三 经典理论的困难经典理论的困难 按按经典经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁
5、波，个方向辐射电磁波，散射束散射束的频率应与的频率应与入入射束射束频率频率相同相同，带电粒子仅起能量传递的，带电粒子仅起能量传递的作用作用. 可见，可见，经典理论无法解释波长变长的经典理论无法解释波长变长的散射线散射线. 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版1 1 定性分析定性分析X射线（光子流）与散射物质相互作用情况与射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散射物质种类无关散射物质种类无关光子光子电子电子相互作用相互作用四四 量子解释量子解释 入射光子（入射光子（ X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大 .eV101054h
6、E 范围为范围为： 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 完全非弹性碰撞：完全非弹性碰撞：光子被电子吸收，电子能量增加光子被电子吸收，电子能量增加, 当电子能当电子能量足够大时，成为光电子逸出。量足够大时，成为光电子逸出。即光电效应即光电效应* 光子、电子均视为光子、电子均视为“点粒子点粒子”，所以不考虑一般，所以不考虑一般 非弹性碰撞非弹性碰撞典型情况典型情况完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版
7、弹性碰撞弹性碰撞光子光子内层电子内层电子束缚强束缚强光子光子原子原子mM光子能量不变光子能量不变0瑞利散射瑞利散射光子光子外层电子外层电子 束缚弱束缚弱光子光子自由电子自由电子光子能量减少光子能量减少电子反冲电子反冲,康普顿散射康普顿散射(能量不会显著减小能量不会显著减小)原子量越小物质发生第二种碰撞概率越大，康普原子量越小物质发生第二种碰撞概率越大，康普顿效应显著顿效应显著。 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 电子反冲速度很大，用电子反冲速度很大，用相对论力学相对论力学处理处理. 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，
8、可近似为静止静止电子电子. h 固体表面电子束缚较弱，视为固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子近自由电子. 000vxy光子光子电子电子xy电子电子光子光子2 定量计算定量计算 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版光子光子静止自由电子静止自由电子弹性碰撞弹性碰撞能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒 001nhp nhp 1vmp 20 h0n hnmv 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版光子光子电子电子撞撞 前前撞撞 后后001hchE001nhp hcE 1n1h
9、p 202cmE 02p22mcE mp 2 001nhp nhp 1vmp 20 h0n hnmv 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版动量守恒：动量守恒：mnhnh00由能量守恒：由能量守恒：2200mchccmhc质速关系：质速关系：20)(1cmm余弦定理：余弦定理：cos2)()(0222022hhhm建立方程建立方程 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 康普顿波长康普顿波长 m1043. 2120Ccmh2002(1 cos )sin2hhm cm
10、c 康普顿公式康普顿公式C0(1cos )(1cos )hm c 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 散射光波长的改变量散射光波长的改变量 仅与仅与 有关有关. .0,0maxC, ()2 散射光子能量减小散射光子能量减小00,3 结论结论xy00echechvme0e 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版4 讨论讨论 若若 则则 ，可见光观察，可见光观察不不到康到康普顿效应普顿效应.C00 光具有波粒光具有波粒二象性二象性 一般而言，光在传递过程中，波动性较一
11、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，粒子性比较为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较显著显著. 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 与与 的关系的关系与物质无关与物质无关， 是光子与是光子与近自由电子间的相互作用近自由电子间的相互作用. 散射中散射中 的散射光是因的散射光是因光子光子与与紧束紧束缚电子缚电子的作用的作用. 原子量大的物质，其电子束原子量大的物质，其电子束缚较强，因而康普顿效应不明显缚较强，因而康普顿效应不明显.0 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿
12、效应物理学物理学第五版第五版5 物理意义物理意义证明了爱因斯坦证明了爱因斯坦光子假设的正确性。光子假设的正确性。狭义相对论力学的正确性狭义相对论力学的正确性 . （相对论效应在（相对论效应在宏观、微观均存在）宏观、微观均存在） 微观粒子的相互作用也遵守微观粒子的相互作用也遵守能量守恒能量守恒和和动量动量守恒守恒定律定律. 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版练习练习：时康普顿散射的情况时康普顿散射的情况入射，入射，和紫光（和紫光（光（光（比较用比较用)A4000)A5 . 0o2o1X解：解： 波长改变量相同波长改变量相同oA0
13、48. 02sin22c光光对对X%6 . 95 . 0048. 01对紫光对紫光%0012. 04000048. 02入射光能量较低入射光能量较低)(c时，康普顿效应不显著，将主要时，康普顿效应不显著，将主要观察到光电效应观察到光电效应)(oo0A024. 0cmhc 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版 例例1 波长波长 的的X射线与静射线与静止的自由电子作弹性碰撞，在与入射角成止的自由电子作弹性碰撞，在与入射角成 角的方向上观察，角的方向上观察， 问：问：m101.00-10090 （2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？ （3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？ （1）散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？ 第第15章章 量子物理量子物理15-2.2 15-2.2 康普顿效应康普顿效应物理学物理学第五版第五版（1）C(1cos)CC)90cos1 (eV295)1 (000202khchchccmmcEm1043. 212（2） 反冲电子的动能反冲电子的动能 （3） 光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能解解谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生
