1、2020全国高中物理学奥林匹克竞赛人大附中竞赛班辅导讲义（含物理竞赛真题练习）康普顿效应是说明光康普顿效应是说明光的粒子性的另一个重要的的粒子性的另一个重要的实验。实验。1922-19331922-1933年间康普顿观察年间康普顿观察X X射线通过物质散射时，发射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现散射的波长发生变化的现象。现象。康普顿效应康普顿效应康普顿实验装置示意图康普顿实验装置示意图X 射线管射线管RGX射线谱仪射线谱仪光阑光阑1B2B 石墨体（散射物）石墨体（散射物）A晶体晶体C调节调节A A对对C C的方位，可使不同方向的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。的散射线进入光谱
2、仪。康普顿实验指出康普顿实验指出改变波长的散射改变波长的散射康普顿散射康普顿散射(2)当散射角当散射角 增加时，波长改变增加时，波长改变也随着增加也随着增加.0 (3)在同一散射角下，所有散射物质的波长在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。改变都相同。(1)散射光中除了和入射光波长散射光中除了和入射光波长 相同的射线相同的射线之外，还出现一种波长之外，还出现一种波长 大于大于 的新的射线的新的射线。0 0 康普顿效应康普顿效应石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.=0O(a)(b)(c)(d)o相相对对强强度度（A）0.7000.750波长波长石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.=0=45O
3、O(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度（A）0.7000.750波长波长石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.=0=45=90OOO(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度（A）0.7000.750波长波长石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.=0=45=90=135OOOO(a)(b)(c)(d)o相相对对强强度度（A）0.7000.750波长波长经典电磁理论在解释康普顿经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难效应时遇到的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过散根据经典电磁波理论，当电磁波通过散射物质时，物质中带电粒子将作受迫振射物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所动
4、，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。发射的散射光频率应等于入射光频率。无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。光子理论对康普顿效应的解释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，具体解释能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：如下：若光子和散射物外层电子（相当于自由若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）相碰撞，光子有一部分能量传给电子）相碰撞，光子有一部分能量传给电子电子,散射光子的能量减少，因此波长变散射光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。长，频率
5、变低。若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相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相碰撞，由碰撞时，就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中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，光子传递给原子的能量很少，碰撞前后光碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有波长有波长 0的成分的成分。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有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。关，所以波长改变和散射角有关。康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析0 hYX0meYX h m（1）碰
6、撞前）碰撞前（2）碰撞后）碰撞后（3）动量守恒）动量守恒光子在自由电子上的散射光子在自由电子上的散射Xnch m00nch 由能量守恒由能量守恒:由动量守恒由动量守恒:2200mchcmh 00nchnchm Xnch m00nch coscos0mchch sinsin0mch 2002)(cmhmc 能量守恒能量守恒:动量守恒动量守恒:最后得到：最后得到：2sin2200 cmh 康普顿散射康普顿散射 公式公式 此式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定此式说明：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。于散射角；波长改变随散射角增大而增加。由能量守恒由能量守恒:由动量守恒由动量守恒:2002)(cmhmc coscos0mchch sinsin0mch cmhc0 电子的康普顿波长电子的康普顿波长其值为其值为0243.0c 2sin22sin22200 ccmh 我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：发现：原子量小的物质康普顿散射较强，原子量原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；大的物质康普顿散射较弱；
