1、1,15.3 康普顿效应及光子理论的解释,电磁辐射与物质相互作用时，可能会发生若干种不同的效应，这些效应是不同能量的光子与物质中的分子、原子、电子、原子核相互作用的结果。各种现象发生的概率与入射光子的能量有密切关系。,光子能量较低时 (hv 0.5MeV)，以光电效应为主；高能光子 (hv1.02MeV)可以与原子核发生作用，产生正负电子对; 当入射光子具有中等能量时, 产生康普顿效应。,2,探测器,一、康普顿效应,X 光管,光阑,散射物质,X射线通过散射物质时,在散射线中，除了有波长与原波长相同的成分，还有波长较长的成分 康普顿效应。,3,测量结果,对任一散射角 , 都有两种波长 和 的散射
2、线。实验还表明, 对轻元素，波长变长的散射线较强，而对重元素, 波长变长的散射线较弱。,4,（3）对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量 - 0 都相同。,（1） 对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。,（2）波长的改变量 -0 随散射角的增加而增加。,实验规律,5,按照经典电磁波理论，当一定频率的电磁波照射物质时，物质中的带电粒子将从入射波中吸收能量，作同频率的受迫振动，并向各方向发射同一频率的电磁波，这就是散射线。显然这个理论只能说明波长不变的散射现象而不能解释康普顿散射。,经典物理的困难,6,二、光子理论的解释,电磁辐射是光子流，每一个光子都有确定的动量和能量
3、。X射线光子的能量约为104105 eV， 它们与散射物质中那些受原子核束缚较弱的电子 （结合能约为10102 eV） 的相互作用，可以看成光子与静止自由电子的作用。,自由电子吸收一个入射光子，发射一个波长较长的光子（散射光子），同时电子与散射光子沿不同方向运动。散射过程可以看作入射光子与自由电子的弹性碰撞。,7,（1）,动量守恒：,能量守恒：,（2）,8,由（1）式消去 ，得,（3）,将（2）式写成,（4）,将（3）式平方后减去（4）式，,并利用质速关系,可得,9,或写成, 康普顿散射波长改变量。,可见波长的改变量 与散射角有关, 散射角 越大， 也越大；波长的改变量与入射光的波长无关。,1
4、0,上式也常写成,式中,称为电子的康普顿波长，其值等于在=90o方向上测得的波长改变量。,11,已为实验所证明。,反冲电子的运动方向,12,散射线中波长不变成分,光子除了与受原子核束缚较弱的电子碰撞外，还与受原子核束缚很紧的电子发生碰撞。这种碰撞的散射波长不变。,康普顿散射的理论和实验完全一致，在更加广阔的频率范围内更加充分地证明了光子理论的正确性；又由于在公式推导中引用了动量守恒定律和能量守恒定律，从而证明了微观粒子相互作用过程也遵循这两条基本定律。,13,例 波长为 0 = 0.020 nm 的 X 射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察散射线。求（1）散射线的波长；（2）反冲电子的动能；（3）反冲电子的动量。,解（1）散射线的波长,14,波长,（2）反冲电子的动能,15,（3）反冲电子的动量,
