5.2康普顿效应 学案(2020年鲁科版高中物理选修3-5)
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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
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