复旦大学《大学物理》课件-康普顿效应(1).pdf

康普顿效应康普顿效应Compton Effect 康普顿康普顿A.H.Compton(1892-1962)美国实验物理学家，芝加哥大学教授。美国实验物理学家，芝加哥大学教授。因发现因发现康普顿效应康普顿效应而获得而获得1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖探测器探测器一一、康普顿效应的实验及其规律、康普顿效应的实验及其规律1、实验装置、实验装置 1923年年,测量了测量了X射线射线沿各方向的散射波沿各方向的散射波,发现在发现在散射光线散射光线中中除了有与除了有与入射入射线线波长相同的射线外，波长相同的射线外，还有还有波长波长大于入射大于入射线线波长的射线波长的射线，这种改变波长的散射现象这种改变波长的散射现象 康普顿效应康普顿效应 Compton Effect光阑光阑石墨石墨晶体晶体 KA-X射射线线源源 波长偏移量检测系统检测系统晶 体 散射角 射线源 散射体散射体 说明什么？说明什么？一一、康普顿效应的实验及其规律、康普顿效应的实验及其规律2、康普顿散射的康普顿散射的实验规律实验规律1)在在散射光线中散射光线中有与入射光有与入射光波长相同波长相同的的 射线射线,也有也有波长波长大于大于入射光的射线入射光的射线;4)在在原子量较小原子量较小的物质中，的物质中，康普顿散射较强康普顿散射较强;对对原子量较大原子量较大的物质，的物质，康普顿散射较弱康普顿散射较弱。2)波长的偏移量波长的偏移量 随散射角随散射角 的的 增加而增加增加而增加;3)在同一散射角在同一散射角 下，所有散射物质波长下，所有散射物质波长 的偏移量的偏移量 都是相同的。都是相同的。吴有训吴有训(1897-1977)，江西高安人，江西高安人，1921年赴美国芝加哥大学随康普顿年赴美国芝加哥大学随康普顿教授从事物理学研究，吴有训通过教授从事物理学研究，吴有训通过实验和理论分析，验证了某些实验和理论分析，验证了某些X射射线经散射后波长的变化。线经散射后波长的变化。1924年年他他与康普顿合作发表了与康普顿合作发表了经过轻元素经过轻元素散射的铝散射的铝(Ka)射线的波长射线的波长，因此，因此，物理学界把某些物理学界把某些X射线经散射后波射线经散射后波长变长的现象称为长变长的现象称为康普顿康普顿-吴有训吴有训效应效应。在普朗克、玻尔等人开创的。在普朗克、玻尔等人开创的现代物理学中，吴有训作出了杰出现代物理学中，吴有训作出了杰出贡献。贡献。u经典物理的解释经典物理的解释v经典理论只能说明波长不变的散射，经典理论只能说明波长不变的散射，而而不能不能说明说明康普顿散射康普顿散射电子受电子受迫振动迫振动同频率同频率散射线散射线发射发射 单色电单色电磁波磁波照射照射散射物体散射物体二二、经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 康普顿散射的实验结果与光的波动说相矛盾康普顿散射的实验结果与光的波动说相矛盾受迫振动受迫振动 v0三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释光子理论解释光子理论解释2)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，能与电子等粒子作弹性碰撞。1)1)X 射线由射线由 的光子组成；的光子组成；1)1)入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞 外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能光子能量动能光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止静止静止自由电子自由电子自由电子0自由电子02)X 2)X 射线光子和原子内层电子相互作用射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子质量，碰撞时光子不会明显损失能量，光子质量远小于原子质量，碰撞时光子不会明显损失能量，波长不变。波长不变。内层电子被束缚很紧，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被束缚很紧，光子相当于和整个原子发生碰撞。00原子三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释光子理论解释光子理论解释2)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，能与电子等粒子作弹性碰撞。1)1)X 射线由射线由 的光子组成；的光子组成；自由电子000原子X X光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线v 波长变化波长变化r 结论结论三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释光子理论解释光子理论解释2)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，能与电子等粒子作弹性碰撞。1)1)X 射线由射线由 的光子组成；的光子组成；三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释X 射线光子与自由电子的碰撞射线光子与自由电子的碰撞(1)(1)碰撞前碰撞前*电子电子*光子光子能量能量:动量动量:(2)(2)碰撞后碰撞后*光子光子能量能量:动量动量:能量能量:动量动量:*电子电子能量能量:动量动量:e三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释碰撞过程中碰撞过程中能量守恒能量守恒2200mchcmhvmechechn00消去消去 ,得得:碰撞过程中碰撞过程中动量守恒动量守恒xy e)cos2(02202222hcmv2002)(cmhmc)cos1()(0020hcmcm00等式两边同时除以三、三、康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释碰撞过程中碰撞过程中能量守恒能量守恒2200mchcmhvmechechn00碰撞过程中碰撞过程中动量守恒动量守恒xy e波长的偏移量为波长的偏移量为:nm00243.0m10432120cmhc康普顿波长康普顿波长:四四、康普顿散射实验的意义、康普顿散射实验的意义1 1、有力地支持了有力地支持了“光子假说光子假说”的正确性；的正确性；狭义相对论动力学狭义相对论动力学的正确性；的正确性；也证实了普朗克假设也证实了普朗克假设 =h 的正确的正确；2 2、首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；3 3、证实了在微观的单个碰撞事件中，证实了在微观的单个碰撞事件中，动量守恒定律动量守恒定律和和能量守恒定律能量守恒定律仍然是成立的。仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于 “混进混进来了某种荧光辐射来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑；在计算中起先只考虑能量守恒能量守恒，后来才认识到还要用后来才认识到还要用动量守恒动量守恒。解：解：例例15-5:波长为波长为 的的X射线与静止的自由电子碰撞，在与入射射线与静止的自由电子碰撞，在与入射 方向成方向成 角的方向上观察，角的方向上观察，求求:1)散射散射X射线的波长射线的波长;2)反冲电子的动能反冲电子的动能;3)反冲电子的动量。反冲电子的动量。nm0024.0m104.2)cos1(12C1）0 xyxy 202cmmcEk2）由能量守恒，得：由能量守恒，得：hchc00hh02200mchcmh 例例15-5:波长为波长为 的的X射线与静止的自由电子碰撞，在与入射射线与静止的自由电子碰撞，在与入射 方向成方向成 角的方向上观察，角的方向上观察，求求:1)散射散射X射线的波长射线的波长;2)反冲电子的动能反冲电子的动能;3)反冲电子的动量。反冲电子的动量。解：解：,cos0ePh3）xyxy sin 0ePh由动量守恒，得：由动量守恒，得：220hhPeePh0cos78.0sinePh 例例15-6:一具有一具有 能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，碰撞后，光子的散射角为碰撞后，光子的散射角为 ，求：求：1）光子的波长、频率和能量各改变多少）光子的波长、频率和能量各改变多少？2）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？解：解：,00h1）入射光子的频率和波长分别为）入射光子的频率和波长分别为:h00Hz,1041.218用康普顿散射公式可得：用康普顿散射公式可得：例例15-6:一具有一具有 能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，碰撞后，光子的散射角为碰撞后，光子的散射角为 ，求：求：1）光子的波长、频率和能量各改变多少）光子的波长、频率和能量各改变多少？2）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？解：解：2）反冲电子的动能反冲电子的动能：电子的速度可由相对论的能量关系求出：电子的速度可由相对论的能量关系求出：202cmmcEkhh 0h 例例15-6:一具有一具有 能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，能量的光子，与一静止自由电子相碰撞，碰撞后，光子的散射角为碰撞后，光子的散射角为 ，求：求：1）光子的波长、频率和能量各改变多少）光子的波长、频率和能量各改变多少？2）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？）碰撞后，电子的动能、动量和运动方向又如何？解：解：2）电子的动量：电子的动量：vmPevv20)(1cm动量守恒：动量守恒：第十五单元第十五单元 量子物理量子物理 Quantum Physics第四讲第四讲 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论经典物理在解释经典物理在解释黑体辐射黑体辐射上的困难上的困难 普朗克能量子论普朗克能量子论 1900年年经典物理在解释经典物理在解释光电效应光电效应上的困难上的困难 爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论 1905年年经典物理在解释经典物理在解释氢光谱氢光谱上的困难上的困难 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论 1913年年半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代。半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代。玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论在物理学史上曾起重要作用在物理学史上曾起重要作用,建立了许多重要概念。建立了许多重要概念。丹麦理论物理学家，现代物理学的创丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。始人之一。19131913年年发表了发表了论原子构造与分子构造论原子构造与分子构造等三篇论文，玻尔将等三篇论文，玻尔将普朗克、爱因斯坦的普朗克、爱因斯坦的量子理论推广到卢瑟福的原子有核模型中量子理论推广到卢瑟福的原子有核模型中，并结合原子光谱的实验规律，提出他的氢并结合原子光谱的实验规律，提出他的氢原子理论，从而完满地解释了氢原子光谱原子理论，从而完满地解释了氢原子光谱的规律，推动了量子物理学的形成，具有的规律，推动了量子物理学的形成，具有划时代的意义，为此他划时代的意义，为此他获得获得19221922年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。玻尔还提出。玻尔还提出“对应原理对应原理”、“互补原理互补原理”，是量子力学哥本哈根学派，是量子力学哥本哈根学派的领头人的领头人.玻玻 尔尔 Niels Henrik Darid Bohr（1885-1962）由于电子的发现，使人们认识到原子具有内部结构，由于电子的发现，使人们认识到原子具有内部结构，原子光谱原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法是研究和了解原子内部结构的重要方法研究原子结构规律有两条途径：研究原子结构规律有两条途径：1 1、利用高能粒子轰击原子利用高能粒子轰击原子轰出未知粒子来研究；轰出未知粒子来研究；2 2、在外界激发下，通过原子的发射光谱来研究。在外界激发下，通过原子的发射光谱来研究。一、卢瑟福的原子模型一、卢瑟福的原子模型 Atomic Nuclear Model Structure-1 1、汤姆逊葡萄干蛋糕模型、汤姆逊葡萄干蛋糕模型 J.J.Thomsson（19031903）原子中的正电荷和原子的质原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为量均匀地分布在半径为 10-10m的的球体范围内，电子浸于其中。球体范围内，电子浸于其中。2、卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型 E.Rufherford（1911）a粒子散射实验粒子散射实验 原子由原子核和核外电子构成，原子原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，它几乎集中了原子的全部质核带正电荷，它几乎集中了