大學(xué)物理近代-1效應(yīng)

§12-3光子理論的證實(shí)——康普頓效應(yīng)一、康普頓效應(yīng)1922--1933康普頓觀察X射線通過物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長發(fā)生變化的現(xiàn)象。康普頓實(shí)驗(yàn)裝置示意圖RS光闌B2§12-3光子理論的證實(shí)——康普頓效應(yīng)一、康普頓效應(yīng)1922--1933康普頓觀察X射線通過物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長發(fā)生變化的現(xiàn)象。康普頓實(shí)驗(yàn)裝置示意圖RS光闌B2A石墨體（散射物）X射線管10o0.709nm散射出現(xiàn)了≠的現(xiàn)象.0散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)：0石墨的康普頓效應(yīng)45o1.除原波長0外，出現(xiàn)了移向長波方面的新的散射波長.90o新波長0o0.709nm散射出現(xiàn)了≠的現(xiàn)象.0散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)：0石墨的康普頓效應(yīng)45o1.除原波長0外，出現(xiàn)了移向長波方面的新的散射波長.90o新波長隨散射角的2.增大而增大。3.當(dāng)散射角增大時(shí)，原波135o長的譜線強(qiáng)度降低，而新波長的譜線強(qiáng)度升高。o0.7090.749（A）2............................新散射波長>入射波長新散射波長>入射波長0，波長的偏移=0只與散射角有關(guān)，與散射物質(zhì)無關(guān)。實(shí)驗(yàn)規(guī)律是：c=0.0241?2.4110-3nm（實(shí)驗(yàn)值）稱為電子的康普頓波長只有當(dāng)入射波長0與c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到。3 (1cos)2sin20 c c 2二、康普頓效應(yīng)的解釋001.經(jīng)典理論對(duì)光的散射的解釋00θ受迫振動(dòng)v0發(fā)射照射結(jié)論二、康普頓效應(yīng)的解釋001.經(jīng)典理論對(duì)光的散射的解釋00θ受迫振動(dòng)v0發(fā)射照射結(jié)論經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能說明康普頓散射。4單色經(jīng)典理論認(rèn)為：入射光要么安全通過晶體經(jīng)典理論認(rèn)為：入射光要么安全通過晶體無論是被晶體衍射光的頻率、或者說光的波長不變。52.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋：該效應(yīng)是高能光子和低能自由電子作彈性碰撞的結(jié)果。1、若光子與外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,波長變長。光子的能量減少，因此頻率變低，2、若光子與內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長有不變的成分。3、因?yàn)榕鲎矒Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。2.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋：該效應(yīng)是高能光子和低能自由電子作彈性碰撞的結(jié)果。1、若光子與外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,波長變長。光子的能量減少，因此頻率變低，2、若光子與內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長有不變的成分。3、因?yàn)榕鲎矒Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。6rrh0rr康普頓效應(yīng)的定量分析p0e0cecm0自由電子（靜止）mvh0m0c2hmc2能量守恒動(dòng)量守恒hrrh0rr康普頓效應(yīng)的定量分析p0e0cecm0自由電子（靜止）mvh0m0c2hmc2能量守恒動(dòng)量守恒h0hcm0c 1v2/c2mm0/反沖電子質(zhì)量cch(1cos)(1cos)0mcc006.631034hcmc8m=2.4310-3nm等于實(shí)驗(yàn)值319.11031007從上述分析可知，入射光子與電子碰撞時(shí)，把一部分能量傳給了電子。因而光子能量減少，頻率降低，波長變長。波長偏移與散射角的關(guān)系式也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量地符合。上式還表明，波長的偏移與散射物質(zhì)0以及入射X射線的波長而只與散射角從上述分析可知，入射光子與電子碰撞時(shí)，把一部分能量傳給了電子。因而光子能量減少，頻率降低，波長變長。波長偏移與散射角的關(guān)系式也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量地符合。上式還表明，波長的偏移與散射物質(zhì)0以及入射X射線的波長而只與散射角無關(guān)，有關(guān)。這一規(guī)律也已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。8 h (1cos)0 mc03.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義支持了3.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義支持了“光量子”概念，進(jìn)一步證實(shí)了=h首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦提出的“光量子具有動(dòng)量”的假設(shè)p=/c=h/c=h/證實(shí)了在微觀領(lǐng)域的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D獲得1927年物理學(xué)獎(jiǎng)。94.討論幾個(gè)問題（閱讀）（1）為什么康普頓效應(yīng)中的電子不能像光電效應(yīng)那樣吸收光子，而是散射光子？假設(shè)自由電子能吸收光子，則有21mvh0h0r2vr0v4.討論幾個(gè)問題（閱讀）（1）為什么康普頓效應(yīng)中的電子不能像光電效應(yīng)那樣吸收光子，而是散射光子？假設(shè)自由電子能吸收光子，則有21mvh0h0r2vr0vc相對(duì)論！c1 2e0cc2mm1上述過程不能同時(shí)滿足能量、動(dòng)量守恒。自由電子不能吸收光子，只能散射光子。10（2）為什么在光電效應(yīng)中不考慮動(dòng)量守恒？在光電效應(yīng)中，入射的是可見光和紫外線，光子能量低，（2）為什么在光電效應(yīng)中不考慮動(dòng)量守恒？在光電效應(yīng)中，入射的是可見光和紫外線，光子能量低，電子與整個(gè)原子的聯(lián)系不能忽略，（閱讀）原子也要參與動(dòng)量交換，光子電子系統(tǒng)動(dòng)量不守恒。但原子質(zhì)量較大，能量交換可忽略，∴光子電子系統(tǒng)仍可認(rèn)為能量是守恒的。11（3）為什么可見光觀察不到康普頓效應(yīng)？可見光光子能量不夠大，（閱讀）原子內(nèi)的電子（3）為什么可見光觀察不到康普頓效應(yīng)？可見光光子能量不夠大，（閱讀）原子內(nèi)的電子不能視為自由，所以可見光不能產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。只有用X射線，才能觀察到顯著的康普頓效應(yīng)。在光電效應(yīng)中，入射光是可見光或紫外線，康普頓效應(yīng)不顯著。12（4）為什么康普頓散射中還有原波長0呢？這是因?yàn)楣庾舆€可與石墨中被原子核得很緊的電子發(fā)生碰撞。縛能103（4）為什么康普頓散射中還有原波長0呢？這是因?yàn)楣庾舆€可與石墨中被原子核得很緊的電子發(fā)生碰撞?？`能103~104eV，不能視為自由，內(nèi)層而應(yīng)視為與原子是一個(gè)整體。所以這相當(dāng)于光子和整個(gè)原子碰撞。m光子原子∴在彈性碰撞中，入射光子幾乎不損失能量，即散射光子波長不變，散射線中還有與原波長相同的射線。（閱讀1927物理學(xué)獎(jiǎng)康普頓（A.pton)美國人(1892-1962）發(fā)現(xiàn)了X1927物理學(xué)獎(jiǎng)康普頓（A.pton)美國人(1892-1962）發(fā)現(xiàn)了X射線通過物質(zhì)散射時(shí)，波長發(fā)生變化的現(xiàn)象14例19－2求下述幾種輻射的光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量，100U后的電子的動(dòng)能、動(dòng)量和質(zhì)量相比較。700nm(1)的紅光；的X射線；(2)2例19－2求下述幾種輻射的光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量，100U后的電子的動(dòng)能、動(dòng)量和質(zhì)量相比較。700nm(1)的紅光；的X射線；(2)2線的射解：由于經(jīng)過電壓后，電子的速度不是很大，可以不考慮相對(duì)論效應(yīng)10011eVem9e04p5. 10seeee15（1）對(duì)于1700nm的光子（紅光），計(jì)算得到hc6.6310343108h)1170010916.631034h28p1 9.4710kg（1）對(duì)于1700nm的光子（紅光），計(jì)算得到hc6.6310343108h)1170010916.631034h28p1 9.4710kgms70010916.631034h3631087001093.1610kg111.78(eV)2%3.161036mEe100eV 19.111031m289.4710p1e42103106245.4010pe16(2)對(duì)于2hc1.75104(eV)h222h9.3410(2)對(duì)于2hc1.75104(eV)h222h9.341024kgms1p22h3.111032kgmc222m2p217523%17Eepeme(3)30.00124nm的光子（射線）hc1.00106(eV)h333h5.351022kg(3)30.00124nm的光子（射線）hc1.00106(eV)h333h5.351022kgms1p33h1.781030kgm3c3m2p33299104mepeEe18例19－3設(shè)康普頓散射效應(yīng)中，入射的X射線的波長為00.0700nm，在與入射的X射線垂直方向觀察。求：反沖電子的動(dòng)能；反沖電子的運(yùn)動(dòng)方向與入射的X射線的方向之間的夾角。解：散射的X例19－3設(shè)康普頓散射效應(yīng)中，入射的X射線的波長為00.0700nm，在與入射的X射線垂直方向觀察。求：反沖電子的動(dòng)能；反沖電子的運(yùn)動(dòng)方向與入射的X射線的方向之間的夾角。解：散射的X射線的波長h(1cos)(1cos)00cmc00c0.07000.00240.0724nm19900（1）根據(jù)能量守恒：hmc2hc2me00e反沖電子的動(dòng)能為（1）根據(jù)能量守恒：hmc2hc2me00e反沖電子的動(dòng)能為hhmc2mc2Ekee00hc(11)9.421017(J)0200ppe（2）根據(jù)動(dòng)量守恒：p0rhrpcosp入射光子動(dòng)量h00erppsin00散射光子動(dòng)量ee反沖電子的動(dòng)量為p反沖電子動(dòng)量e(h)2( )h2p p0ppe（2）根據(jù)動(dòng)量守恒：p0rhrpcosp入射光子動(dòng)量h00erppsin00散射光子動(dòng)量ee反沖電子的動(dòng)量為p反沖電子動(dòng)量e(h)2( )h2p p22pe00p0h0(h)2(h)2 1 cos44.2001(0pe)2215.吳有訓(xùn)對(duì)康普頓效應(yīng)研究的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)19235.吳有訓(xùn)對(duì)康普頓效應(yīng)研究的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)1923年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角（=120）測(cè)量各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。這對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。吳有訓(xùn)的康普頓效應(yīng)散射實(shí)驗(yàn)曲線：22散射角1200曲線表明：1、散射角1200曲線表明：1、與散射物質(zhì)無關(guān)，僅與散射角有關(guān)。III2、輕元素I。2300吳有訓(xùn)工作的意義：證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制：吳有訓(xùn)工作的意義：證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制：－外層電子（自由電子）散射0－內(nèi)層電子（整個(gè)原子）散射在康普頓的一本著作XRaysintheoryandexperiment（1935）中，有19處了書中兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)。24吳有訓(xùn)（1897—1977）物理學(xué)家、教育家、中國副院長，1928年被葉企孫聘為清華大學(xué)物理系教授，曾任物理系吳有訓(xùn)（1897—1977）物理學(xué)家、教育家、中國副院長，1928年被葉企孫聘為清華大學(xué)物理系教授，曾任物理系、理學(xué)院院長。對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)2520世紀(jì)50年代的吳有訓(xùn)（閱讀）6.康普頓散射公式的推導(dǎo)：hrh0rhrrrrmVe0emVee0cccc2h2hrr 02 0（閱讀）6.康普頓散射公式的推導(dǎo)：hrh0rhrrrrmVe0emVee0cccc2h2hrr 02 0eem2V20c2cc2h2h2 0cos 0c2ccm2V2c2h22h222h2 cos0 026h0mc2m0h0mc2m0c hmc2 2（閱讀）m0c2hh027m2c4h22h22m2c40 02h2 2hmc22hmc20 0 0 022c4mm2c4（閱讀）002h22h2h22c4mm2c4（閱讀）002h22h2hmc22mc0000h220h222h20cosm2V2c22h22c4m2c4(