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
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
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
（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
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 瑞利散射
康普顿效应瑞利散射
康普顿效应和瑞利散射是两种不同的物理现象，都与光子和物质的相互作用有关，但它们在发生机制、影响因素和结果上有所不同。
康普顿效应是一种碰撞效应，是光子与电子的碰撞过程。
在这个过程中，光子的一部分能量传递给电子，使电子获得反冲的动能，而光子的运动方向发生改变，成为散射光子。
康普顿效应的发生概率大致与原子序数成正比，光子能量越大发生的概率越小。
此外，康普顿效应主要发生在最外层电子上。
瑞利散射则是一种弹性散射过程，主要发生在内层轨道。
在这个过程中，光子先把能量给电子，电子跃迁到最外层，之后再放出与原入射能量相等的散射光子。
瑞利散射的特点是光子的能量几乎没有损失，但原子发生了反冲。
瑞利散射属于相干散射，入射线和散射线只有方向的改变，能量几乎不发生改变。
瑞利散射的发生概率和物质原子序数的平方成正比，而与入射光子能量成反比。
在低能量和高原子重量的情况下，瑞利散射更为显著。
总的来说，康普顿效应和瑞利散射都是光子和物质相互作用的结果，但它们在散射机制、影响因素和散射结果上有所不同。
这些差异使得它们在物理学、化学、生物学等领域有着广泛的应用和研究价值。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
B. 紫外线照射到金属锌板表面时能够发生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时， 从锌板表面逸出的光电子的个数增加
C. 光电效应表明了光具有粒子性，而康普顿效应则表明了光具有波动性 D. 光具有波粒二象性，但当光表现出波动性时，就不具有粒子性；当光表现出粒子性 时，就不具有波动性
二、单选题
6．下列说法中正确的是（ ）
2016-2017 学年度???学校 6 月月考卷
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、多选题
1．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有
A. 光电效应现象揭示了光具有粒子性 B. 热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C. 康普顿效应揭示了光具有波动性 D. 动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等 2．下列有关光的说法中正确的是( ) A. 光电效应表明在一定条件下，光子可以转化为电子 B. 大量光子易表现出波动性，少 量光子易表现出粒子性 C. 光有时是波，有时是粒子 D. 康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量 3．下列说法正确的是( ) A. 爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程 B. 康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量 C. 实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 D. 德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的物质波长就越短 4．下列说法正确的是__________． A. 汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，从而证明了原子核可再分 B. 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 C. 康普顿效应和电子的衍射现象说明粒子的波动性 D. 氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能减小，核外电子的运动加速度增大 5．普朗克说过：“科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述，它也是 一部概念的历史”．下列表述中正确的是（ ） A. 黑体辐射的实验规律表明能量不是连续的，而是量子化的
的是(根据量子理论，光子不但有能量，而且有动量．光子动量的计算式为 p= ，其中 h 是普朗克常量，λ 是光子的波长)( ) A. 1.0×10－3 m/s2 B. 1.0×10－2 m/s2 C. 1.0×10－1 m/s2
D. 1 m/s2
8．芯片制作工艺非常复杂，光刻机是制作芯片的关键设备，其曝光系统最核心的部件 之一是紫外光源。常见光源分为:可见光：436nm；紫外光（UV）：365nm；深紫外光 （DUV）：KrF 准分子激光：248 nm, ArF 准分子激光：193 nm；极紫外光（EUV）：10 ~ 15 nm。下列说法正确的是（ ）
2．BD
【解析】A、光电效应现象中能产生光电子，但不是光子转化为电子，故 A 错误； B、光的波动性是大量光子表现出来的现象，粒子性是少数粒子具有的性质，故 B 正确； C、光既具有波动性又具有粒子性，故具有波粒二象性，故 C 错误； D、康普顿效应表明光子也具有能量和动量，和电子、质子等实物粒子一样，说明了光子具 有粒子性，故 D 正确。
的质子和电子，质子和电子质量不相等，由动量与动能关系
，可知它们的动量不
相等，根据德布罗意波长公式 AB。
可知，它们的德布罗意波长也不相等。故 D 错误。故选
【点睛】相邻原子之间的距离大致与中子的德布罗意波长相同故能发生明显的衍射现象；光
电效应和康普顿效应现象揭示了光的粒子性；德布罗意波长 量．Leabharlann ，P 是动量，h 是普朗克常
A. 波长越短，可曝光的特征尺寸就越小，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控 制要求越高。
B. 光源波长越长，能量越大，曝光时间就越短。
C. 如果紫外光不能让某金属发生光电效应，极紫外光也一定不能。 D. 由康普顿效应可知深紫外光通过实物物质发生散射时会出现波长更短的成分。
9．关于近代物理知识，下列说法正确的是 A. 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 B. 在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电 子因而光子动量变小 C. 原子核衰变时电荷数和质量都守恒 D. 现在地球上消耗的能量，绝大部分来自太阳，即太阳内部裂变时释放的核能 三、填空题 10．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞 后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向___________运动，并且波长___________ （填“不变”“变小”或“变长”）。
12．光电效应实验中，用波长为 的单色光 A 照射某金属板时，刚好有光电子从金属表
面逸出．当波长为 的单色光 B 照射该金属板时，光电子的最大初动能为______，A、B 两种光子的动量之比为_____． （已知普朗克常量为 h、光速为 c）
康普顿效应
参考答案
1．AB
【解析】光电效应现象揭示了光的粒子性。故 A 正确；热中子束射到晶体上产生的衍射图 样说明中子具有波动性。故 B 正确；康普顿效应说明光具有粒子性，故 C 错误；动能相等
A. 爱因斯坦发现了光电效应现象，并提出了光子说来解释光电效应的规律
B. 大量光子往往显示出光的粒子性 C. 在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子之间发生碰撞时，将一部分动量转移 给电子，所以光子散射后波长变长
D. 物质波是一种概率波，在微观物理学中可以用“轨迹”来描述粒子的运动 7．有人设想在遥远的宇宙探测时，给探测器安上面积极大、反射率极高(可认为 100%) 的薄膜，并让它正对太阳，用光压为动力推动探测器加速．已知探测器在某轨道上运行 时，每秒每平方米面积获得的太阳光能为 E=1.5×104 J，薄膜面积为 S=6.0×102 m2，若探 测器总质量为 M=60 kg，光速 c=3.0×108 m/s，那么下列最接近探测器得到的加速度大小