1、第第 2 节节 康普顿效应康普顿效应 目标定位 1.了解康普顿X射线散射实验.2.理解康普顿X射线实验原理.3.掌握康普顿效应 的概念，知道光的波粒二象性 一、康普顿对 X 射线散射的研究 1光的散射 光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象 2康普顿效应 在光的散射中，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关 3康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光具有粒子性 二、光的波粒二象性 1光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征 2发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长 3光波是一种概率波 4光的波动性和粒子性不是均
2、衡表现的，波长较长时，光子的能量和动量很小，波动性比 较明显，波长越长，波动性越明显光在与电子相互作用时表现为粒子性，在传播过程中更 多地表现为波动性 一、对康普顿效应的理解 1实验现象：X 射线管发出波长为 0的 X 射线，通过小孔投射到散射物石墨上X 射线在 石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关 2康普顿效应与经典物理理论的矛盾：按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子 的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光散射光 的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)因此散射光的波长与入射光的波长 应该相同，不应该出现波长变长的
3、散射光另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角 的关系 3光子说对康普顿效应的解释：假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞 (1)光子和电子相碰撞时，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)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关 【例 1】 白天的天空到处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果美国物理学家康普 顿由于在这方面的研究而荣获了 1927 年的诺贝尔物理学奖假设一个运动的光子和一个静 止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光 子跟原来的光子相比( ) A频率变大 B速度变小
4、 C光子能量变大 D波长变长 答案 D 解析 光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动 量、能量均增加，所以光子的动量、能量减小，由 h p，Eh 可知光子频率变小，波长变 长，故 D 正确由于光子速度是不变的，故 B 错误 针对训练 1 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量入射光和电子的作用可以 看成弹性碰撞，则当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，如图 1 给出了光子 与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞过程中动量_(选填“守恒”或“不守 恒”)，能量_(选填“守恒”或“不守恒”)，碰后光子可能沿_(选填“1”“2” 或“3”)方向运
5、动，并且波长_(选填“不变”、“变小”或“变长”) 图 1 答案 守恒 守恒 1 变长 解析 光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒， 所以碰撞之后光子和电子的总动量的 方向与光子碰前的方向一致， 由矢量合成知识可知碰后光子的方向可能沿 1 方向， 不可能沿 2 或 3 方向； 通过碰撞， 光子将一部分能量转移给电子， 能量减少， 由 Eh 知， 频率变小， 再根据 c 知，波长变长 二、对光的波粒二象性的理解 实验基础 表 现 说 明 光的波动性 光的干涉 和衍射 1.大量光子产生的效果显示 出波动性 1.光的波动性是光子本身的 一种属性，不是光子之间相 2频率较低的光在传播时， 表现出波
6、的性质 互作用产生的 2 光的波动性不同于宏观概 念的波 光的粒子性 光电效应、 康普顿 效应 1.当光同物质发生作用时，这 种作用是“一份一份”进行 的，表现出粒子性 2少量或个别光子容易显示 出光的粒子性 1.粒子的含义是“不连 续”、“一份一份”的 2 光子不同于宏观概念的粒 子 说明 对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越 强 【例 2】 (多选)下列关于光的波粒二象性的理解正确的是( ) A大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性 B光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子 C高频光是粒子，低频光是波 D波粒二象性是光的根本属性
7、，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 答案 AD 解析 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显， D 正确；大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A 正确； 光在传播时波动性显著， 光与物质相互作用时粒子性显著， B 错误； 频率高的光粒子性显著， 频率低的光波动性显著，C 错误 针对训练 2 下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是( ) A有的光是波，有的光是粒子 B光子与电子是同样的一种粒子 C光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D大量光子的行为往往显示出粒子性 答案 C 解析 一切光都具有波粒二象性，光
8、的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行 为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子 虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子 不是实物粒子， 没有静止质量； 电子是以实物形式存在的物质， 光子是以场形式存在的物质， 所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子 的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性光的波长越长，衍射性越好，即波动 性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置 的反应，所以其粒子性就很显著 综上所述，本题正确答案为选项 C.
9、对康普顿效应的理解 1(多选)关于康普顿效应，下列说法正确的是( ) A康普顿在研究 X 射线散射时，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据 BX 射线散射时，波长改变的多少与散射角有关 C发生散射时，波长较短的 X 射线或 射线入射时，产生康普顿效应 D爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支持粒子说 答案 BCD 解析 美国物理学家康普顿在研究 X 射线散射时，发现散射光波长发生了变化，这种现象 用波动说无法解释，用光子说却可以解释，A 错；波长改变的多少与散射角有关，B 对；当 波长较短时发生康普顿效应，较长时发生光电效应，C、D 对 2康普顿假设电子是自由电子，当光
10、子与电子相互作用时，其过程可看成弹性碰撞，既遵 守_守恒定律， 又遵守_守恒定律， 在碰撞中光子将能量_的一部分传 递给电子，光子的能量减少，波长变长康普顿提出的理论与实验结果相符，从而进一步说 明光具有_性 答案 能量 动量 h 粒子 对光的波粒二象性的理解 3(多选)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( ) A波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性 B光波频率越高，粒子性越明显 C能量越大的光子其波动性越显著 D光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的 波动性表现明显 答案 ABD 解析 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显， 或者说在某种场合下光的粒子性表现明显， 在另外某种场合下光的波动性表现明显； 个别光 子易表现出粒子性， 大量光子易表现出波动性， A、 D 说法正确； 光的频率越高， 能量越大， 粒子性相对波动性越明显，B 说法正确，C 说法错误.