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§4.2 -2 康普顿效应
思考与讨论
白天的天空各处都是亮的；航天员在大气外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他地方的天空却是黑的，甚至可以看见星星。这是为什么？
(一)光的散射
光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射.
一.康普顿效应
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
说明能量有损失，导致波长变长。
1918~1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0 的成分，这个现象称为康普顿效应。
康普顿
(二)康普顿效应
一.康普顿效应
(三)康普顿散射的实验装置与规律：
晶体
光阑
X 射线管
探
测
器
X 射线谱仪
石墨体
(散射物质)
j
0
散射波长
一.康普顿效应
康普顿正在测晶体对X 射线的散射
按经典电磁理论：
如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！
一.康普顿效应
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。
二.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
①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。
②无法解释波长改变和散射角关系。
三.康普顿的解释
1.光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
波长变长的解释：
P↓——
λ↑
现在你知道为什么光撞在人身上，却没有被撞的感觉了吗？
h=6.626 10-34J/s
波长λ算它是5 10-6m
约P=1.21 10-28kgm/s
2.光子理论对康普顿效应的解释
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。
②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
三.康普顿的解释
康
普
顿
效
应
康
普
顿
效
应
康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖
(1892-1962)美国物理学家
1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；
2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；
3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中开始只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
四.康普顿散射实验的意义
1925—1926年，吴有训用银的X射线( 0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.
对证实康普顿效应作出了重要贡献。
在同一散射角( )测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。
（1897-1977）
吴有训
五.吴有训对研究康普顿效应的贡献
爱因斯坦光电效应
表明光子具有能量
康普顿效应
表明光子具有动量
光子除了具有能量之外还具有动量
光的散射实验
光照金属表明实验
六.波粒二象性
1、人类对光的认识过程
牛顿光的微粒说
光是实物粒子
惠更斯和托马斯杨的光的波动说
光是振动形式在媒质的传播——波
到麦克斯韦的光的电磁理论
光是电磁波
爱因斯坦的光子理论
光是能量子即光子
六.波粒二象性
干涉
衍射
表明光是一种波
表明光是一种粒子
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
2、光的波动性和光的粒子性
光电效应
康普顿散射
六.波粒二象性
3、光的粒子性和波动性是相对的
波粒二象性
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
波长较短时，表现出粒子性
与物体相互作用时，表现出粒子性
光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现
六.波粒二象性
【例题1】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ）
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比，速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
解析：
B
在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速C。
光学发展史
T /年
波动性
粒子性
1690
惠更斯
波动说
1672
牛顿
微粒说
1905
爱因斯坦光子说
1864
麦克斯韦电磁说
1801
托马斯·杨双缝干涉实验
1814
菲涅耳衍射实验
1888
赫兹电磁波实验
赫兹发现光电效应
1916
密立根光电效应实验
1922
康普顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说渐成真理
1909
爱因斯坦光的波粒二象性
1、用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J.已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为（ ）
A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz
C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz
B
设单色光的最低频率为ν0，由Ek＝hν－W0知
小试牛刀
2、对于光的行为，下列说法正确的是（ ）
A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下光的粒子性表现明显
BD
小试牛刀
3、关于光的本性，下列说法正确的是（ ）
A.关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性
B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D.光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的
C
小试牛刀

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