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1、3 3 康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应Compton effect Compton effect 1.实验装置石墨对石墨对X射线的散射射线的散射一一. 康普顿效应康普顿效应 Comptoneffect1923年，美国物理学家康普顿研究了年，美国物理学家康普顿研究了X射线经物射线经物质散射的实验。质散射的实验。康普顿效应全面验证了爱因斯坦的康普顿效应全面验证了爱因斯坦的光子概念。光子概念。 光阑光阑X 射线管射线管X 射线谱仪射线谱仪 0散射光散射光 , , 0 0 石墨体石墨体(散射物质散射物质) 2.实验现象 在在X射线通过物质散射时，散射射线通过物质散射时，散射线中除有与入射线波
2、长相同的射线线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线。外，还有比入射线波长更长的射线。这种这种散射光波长变长散射光波长变长的散射称为的散射称为康康普顿效应或康普顿散射普顿效应或康普顿散射。3.实验规律散射散射x射线的波长中有两个峰值射线的波长中有两个峰值，0波长的改变量波长的改变量仅与散射角仅与散射角有关，与散射物质、有关，与散射物质、入射波长无关。入射波长无关。原子序数小的物质，康普顿效应明显。原子序数小的物质，康普顿效应明显。原子序数大的物质，康普顿效应不明显。原子序数大的物质，康普顿效应不明显。X-ray康普顿散射的强度与散射物质康普顿散射的强度与散射物质有关有关 4
3、.光子理论对两个效应的定性解释 光子与实物粒子一样能与电子发生碰撞。光子与实物粒子一样能与电子发生碰撞。光电效应：光电效应：光子与自由电子发生完全光子与自由电子发生完全非弹性碰撞非弹性碰撞。康普顿效应：康普顿效应：光子与电子发生光子与电子发生弹性碰撞弹性碰撞。）与内层紧束缚电子碰撞：）与内层紧束缚电子碰撞：a.可看作光子与整个原子的碰撞可看作光子与整个原子的碰撞b.光子能量不变，故光子能量不变，故=0，但方向改变，但方向改变）与外层弱束缚电子碰撞：）与外层弱束缚电子碰撞：a.飞出反冲电子，带走飞出反冲电子，带走一部分能量一部分能量b.光子的能量减小。光子的能量减小。 hv0 ）原子序数小的物质
4、，原子序数小的物质，几乎所有电子出于弱束缚几乎所有电子出于弱束缚状态，所以状态，所以康普顿效应明显。原子序数大的物质，康普顿效应明显。原子序数大的物质，原原子中大多数内层电子受到原子核的束缚较紧，子中大多数内层电子受到原子核的束缚较紧，康普顿康普顿效应不明显。效应不明显。 ）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，故波长的改变量与散射角有关。故波长的改变量与散射角有关。 假设光子与电子发生完全弹性碰撞。假设光子与电子发生完全弹性碰撞。5.康普顿散射公式反冲电子反冲电子弱束缚电子弱束缚电子初态弱束缚电子可看作是静止的孤立电子初态弱束缚电子可看作是静止的孤立电
5、子, 质量为质量为m0，末态反冲电子质量为，末态反冲电子质量为m，速度，速度光子光子散射光子散射光子碰撞过程能量守恒碰撞过程能量守恒动量守恒动量守恒令令为康普顿波长为康普顿波长康普顿散射公式将将 代入两式，得代入两式，得6.说明几点 散射波长改变量散射波长改变量 的数量级为的数量级为 10 10-12-12m m，对于可见光波长对于可见光波长 1010-7-7m m，Ef 原子发射光子。原子发射光子。当当 Ei 1赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系氢原子能级和能级跃迁图：氢原子能级和能级跃迁图：由能级算出的光谱线频率由能级算出的光谱线频率和实验结果完全一致！和实验结果完全
6、一致！氢原子的电离能氢原子的电离能原子被电离后，电子成为自由电子自由态，不原子被电离后，电子成为自由电子自由态，不受原子核束缚。受原子核束缚。电离能：电离能：把电子从氢原子第一玻尔轨道移到把电子从氢原子第一玻尔轨道移到无穷远所需能量。无穷远所需能量。4.由玻尔理论推导里德伯常数R由玻尔假设电子从高能态跳到低能态发射单色光频率：由玻尔假设电子从高能态跳到低能态发射单色光频率：原子辐射单色光波数原子辐射单色光波数由由则则与与广义巴尔末公式广义巴尔末公式比较比较 这一数值与实验测得结果符合很好。为此，玻这一数值与实验测得结果符合很好。为此，玻尔于尔于19221922年年1212月月1010日诺贝尔诞
7、生日诺贝尔诞生100100周年之际，获诺周年之际，获诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。里德伯里德伯常数常数5.玻尔理论的意义 意义：意义：玻尔理论成功地揭示了原子的玻尔理论成功地揭示了原子的稳定性稳定性、大小大小及及氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性，为人们，为人们认识微观世界和建立量子认识微观世界和建立量子理论打下了基础理论打下了基础。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等。玻尔理论中的定态、量子化、跃迁等概念现在仍然有效，它对量子力学发展很大贡献。概念现在仍然有效，它对量子力学发展很大贡献。 玻尔由于研究原子结构和原子辐射的贡献，荣获玻尔由于研究原子结构和原子辐射的贡献，荣获19221922年诺贝
8、尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。但玻尔理论有以下缺陷：但玻尔理论有以下缺陷： 它它是经典理论与量子理论的混合物是经典理论与量子理论的混合物，沿用了粒子，沿用了粒子轨道的概念，又人为地引入了量子化条件。轨道的概念，又人为地引入了量子化条件。 无法处理原子的谱线强度、宽度、偏振及精细结构无法处理原子的谱线强度、宽度、偏振及精细结构和复杂原子的光谱结构（即使是类氢原子和和复杂原子的光谱结构（即使是类氢原子和He）。）。例例1：计算氢原子基态电子的轨道角动量、线速计算氢原子基态电子的轨道角动量、线速度。度。解：解： 基态基态 n = 1例例2：用用 12.6eV的电子轰击基态原子，这些原的电子轰击基态原子，这些原子所能达到最高态。子所能达到最高态。解：解：如果氢原子吸收电子全部能量如果氢原子吸收电子全部能量, 则它所具有能量则它所具有能量轨道能量轨道能量 如果是如果是光子与氢原子光子与氢原子作用，只有光子能量恰好等于作用，只有光子能量恰好等于氢原子的能级差时，光子才能被氢原子吸收。氢原子的能级差时，光子才能被氢原子吸收。
