康普顿效应

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【摘要】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（scattering of light）。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（Compton effect）。光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出.这个现象称为光电效应（photoelectric effect）。

【关键词】光的散射 康普顿效应 光电效应 爱因斯坦光子说 狭义相对论 遵循相对论能量——动量守恒定律

1.康普顿效应

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（scattering of light）。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（Compton effect）。在原子物理学中，康普顿散射，或称康普顿效应，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。

康普顿效应通常只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（1897-1977）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。

光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应（photoelectric effect）。

光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有之外还有动量。

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，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。

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（>1.022兆电子伏特）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。

2.康普顿频移公式

康普顿本人引用爱因斯坦光子说和狭义相对论来解释这一现象，并依据能量守恒定律和动量守恒定律推导得出散射光波长的变化值λ 的公式（康普顿频移公式）：

λ=λ-λ0=hmc（1-cosθ）=2hmcsin2θ2

其中λ为散射光波长的变换值，λ0为碰撞前光子波长，λ为碰撞后光子波长，h为普朗克常数， m为电子质量，c为光速，θ为光子散射角（碰撞前后的路径夹角）。

推导如下：电子与光子发生弹性碰撞，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（如图所示），整个过程中总能量守恒、总动量守恒。

这就是康普顿频移公式。

3.光电效应与康普顿效应区别

光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的，都是个别光子与个别电子的相互用，但二者有明显差别。其一，入射光的波长不同。入射光若为可见光或紫外光，表现为光电效应；若入射光是X光，则表现为康普顿效应。其二，光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电效应中，电子吸收光了的全部能量，从金属中射出，在这个过程中只满足能量守恒定律；而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞，遵循相对论能量——动量守恒定律。

一般说来，当光子的能量与电子的束缚能同数量级时，主要表现为光电效应；当光子能量远大于电子的束缚能量，主要表现为康普顿效应。用不同波长的光入射，光子与电子作用的微观机制不同正体现了事物的多样性，符合辩证唯物主义的“量变到质变”的哲学思想。

参考文献

[1] 禇圣麟编.《原子物理学》人民教育出版社出版.

[2] 普通高中课程标准实验教科书，《物理》选修3-5；人民教育出版社出版.