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康普顿效应

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2023-09-24

在原子物理学中,康普顿散射,或称康普顿效应(英语:Compton effect),是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用,因失去能量而导致波长变长的现象。相应的还存在逆康普顿效应——光子获得能量引起波长变短。这一波长变化的幅度被称为康普顿偏移

康普顿效应通常指物质电子云与光子的相互作用,但还有物质原子核与光子的相互作用——核康普顿效应存在。


康普顿效应 

康普顿效应


简介

康普顿效应首先在1923年由美国华盛顿大学物理学家康普顿观察到,并在随后的几年间由他的研究生吴有训进一步证实。康普顿因发现此效应而获得1927年的诺贝尔物理学奖。

这个效应反映出光不仅仅具有波动性。此前汤姆孙散射的经典波动理论并不能解释此处波长偏移的成因,必须引入光的粒子性。这一实验说服了当时很多物理学家相信,光在某种情况下表现出粒子性,光束类似一串粒子流,而该粒子流的能量与光频率成正比。

在引入光子概念之后,康普顿散射可以得到如下解释:电子与光子发生弹性碰撞(弹性碰撞产生的非弹性散射),电子获得光子的一部分能量而反弹,失去部分能量的光子则从另一方向飞出,整个过程中总动量守恒,如果光子的剩余能量足够多的话,还会发生第二次甚至第三次弹性碰撞。

康普顿效应的衍射角度和波长的关系 

康普顿散射可以在任何物质中发生。当光子从光子源发出,射入散射物质(一般指金属)时,主要是与电子发生作用。如果光子的能量相当低(与电子束缚能同数量级),则主要产生光电效应,原子吸收光子而产生电离。如果光子的能量相当大(远超过电子的束缚能)时,则我们可以认为光子对自由电子发生散射,而产生康普顿效应。如果光子能量极其大(>1.022百万电子伏特)则足以轰击原子核而生成一对粒子:电子和正电子,这个现象被称为成对产生。

由于光子具有波粒二象性,因此,应该可以用波动理论诠释这效应。埃尔温·薛定谔于1927年给出半经典理论。这理论是用经典电动力学来描述光子,用量子力学来描述电子。


康普顿频移公式

康普顿本人引用光电效应和狭义相对论来解释这一现象,并依据余弦定律推导得出康普顿频移公式

康普顿频移公式 
 

其中的符号对应如下

λ0,撞前波长

λ, 撞后波长

m, 电子质量

θ, 光子方向转动角(碰撞前后的路径夹角)

h, 普朗克常数

c, 光速

Tags:康普顿效应,衍射,光学  
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