六康普顿效应

单击此处编辑母版标题样式,正文,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,西南交通大学电气学院,*,康普顿效应和解释,思考题,1,、康普顿效应的现象是什么？,2,、康普顿效应有何意义？,3,、光的量子论与光的微粒说的不同之处,.,引入,光在传播过程中,遇到两种均匀媒质的分界面时,会产生反射和折射现象但当光在不均匀媒质中传播时,由于一部分光线不能直线前进,就会向四面八方散射开来,形成光的散射现象,地球周围由空气形成的大气层,就是这样一种不均匀媒质因此,我们看到的天空的颜色，实际上是经大气层散射的光线的颜色,一般的光散射知识告诉我们，只有当光通过光学性质不均匀的媒质时，光散射现象才会发生,康普顿效应,（高中第三册,P.48,）,光子在介质中和物质微粒相互作用，可能使得光的传播转向任何方向，这种现象叫做光的散射。白天的天空各处都是亮的，这是大气分子对阳光散射的结果。宇航员在大气层外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其它方向的天空却是黑的，甚至可以看到星星，这是因为没有大气对光的散射。,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后的波长差，结果与实验数据完全相符，这样就证实了他的假设。这个现象叫做,康普顿效应,。,康普顿效应进一步证实了光的粒子性。光子不仅具有光的能量的最小单位，而且它也有动量，在这方面光子和质子、电子等实物粒子是一样的，都是一种微观粒子。康普顿由于这个发现而获得,1927,年的诺贝尔物理学奖。,当波长很短的光（电磁波），如,X,射线、,射线等通过不含杂质的均匀媒质时，也会产生散射现象，且一反常态，在散射光中除有与原波长 相同的射线外，还有比原波长大的射线出现,这现象首先由美国物理学家,康普顿,于,1920,1922,年间发现，并作出理论解释，故称,康普顿效应,，亦称,康普顿散射,康普顿效应的发现,实验现象,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,=0,时，只有等于入射频率的单一频率光当,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,入射射线与散射射线的夹角,实验原理图,实验结果,(1),散射光中除了和原波长,0,相同的谱线外,还有,0,的谱线,(2),波长的改变量,=,0,随散射角,(,散射方向和入射方向之间的夹角,),的增大而增加,.,(3),对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量,相同波长为,的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小,一、经典解释（电磁波的解释）,当电磁波通过物体时，将引起物体内带电粒子从入射波吸收能量而出现受迫振动而每个振动着的带电粒子可被看作电偶极子，它们向四周辐射能量，这就成为散射光,从经典电磁理论观点，带电粒子受迫振动频率应等于入射射线的频率；所以，散射射线的频率应与入射射线的频率相同可见，用经典电磁理论只能解释波长不变的散射，无法解释波长变化的散射，对康普顿效应不能作出合理解释,康普顿解释,二、光子理论解释,(1),光子不仅有能量,h,而且有动量,h,/,(2),固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子,电子热运动能量,h,，可近似为静止自由电子,(3),在碰撞过程中能量和动量守恒,光子与物质中的静止“自由电子”外层电子碰撞，把部分能量传给电子,光子的能量减小，散射,X,射线的频率减小，波长变长,;,光子与物质中被原子核束缚很紧的电子内层电子碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞原子的质量远大于光子的质量，在弹性碰撞中散射光子的能量,(,波长,),几乎不改变，故在散射线中还有与原波长相同的射线,动量守恒：,能量守恒：,导出康普顿公式：,康普顿波长：,（）散射光波长的改变量 仅与 有关,结论：,（,2,）散射光的能量减少,（,3,）与 的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用,（,4,）散射中 的散射光是光子与物质中的紧束缚电子（原子核）的作用,(1),首次实验证实了爱因斯坦提出的“光子具有动量”的假设,;,(2),支持了“光子”概念,证实了普朗克假设,=h,(3),证实了在微观领域,动量和能量守恒定律仍然成立,康普顿效应的意义,爱因斯坦,光量子理论,的正确性在,1923,年又被,康普顿效应,所证实康普顿曾指出：,“,X,射线的散射实验可用光子和电子的碰撞来解释，而每一光子具有的能量为 ，动量为 ”，,这说明了具有确定能量和动量的,光子,概念得到新的验证并开始普遍地被接受,光的量子论,与,光的微粒说,的,不同之处,是：,牛顿所提出的光粒子的运动遵守经典力学的规律，即遵守机械运动的规律,光量子理论认为，,光子的运动不遵守经典力学的规律，而是遵守电磁运动的规律，光子是和电磁波一样，在真空中有恒定的、相同的传播速度，光子的静止质量为零,光的干涉,和,衍射现象,显示了,光的波动性,，而,光电效应,和,康普顿效应,又揭示了,光的粒子性,对于光的本质问题，爱因斯坦的研究给出的结论是,光量子的波粒二象性,德布罗意,的关于,实物粒子的波粒二象性,的提出和后来,电子衍射实验,的证实，使波动和粒子的二象性成为微观世界的普遍性质,吴有训生平简介,吴有训,（字正之）,(1897,1977),，中国物理学家、教育家，,1897,年,4,月,26,日生于江西高安,1920,年毕业于南京高等师范学校,1921,年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，,1926,年获博士学位,1926,年秋回国，先后在江西大学和中央大学任教，,1928,年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长（包括,1938,年以后在西南联合大学的,8,年）,1945,年,10,月任中央大学校长,1948,年底任上海交通大学教授,1949,年任校务委员会主任,1950,年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年,12,月起任中国科学院副院长，吴有训曾任中国物理学会理事长,1977,年,11,月,30,日在北京逝世,吴有训科学成就,在物理学研究方面，吴有训早在留美期间就用大量的实验证实了“康普顿效应”的广泛适应性，从实验的角度推翻了“三次辐射”的假设，否定哈佛大学,W,杜安一,(,ouane,),等人提出的“箱子效应”，用实验手段确定康普顿散射光谱中变线与不变线之间的能量比率，及其与散射角的关系，为验证“康普顿效应”做出了决定性的贡献回国后，又继续对,X,射线散射过程、,X,射线的气体散射系数、“校正因子”等问题继续进行研究，修正了德国物理学家,P,德拜,(Debye),的某些理论计算一生发表重要学术论著,50,余篇,(,部,),