標籤: 暫無標籤

康普頓效應是美國物理學家康普頓在研究x射線通過實物物質發生散射的實驗時,發現了一個新的現象,即散射光中除了有原波長l0的x光外,還產生了波長l>l0的x光,其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現象稱為康普頓效應。

1 康普頓效應 -簡介

康普頓效應康普頓效應

1923年,美國物理學家康普頓在研究x射線通過實物物質發生散射的實驗時,發現了一個新的現象,即散射光中除了有原波長l0的x光外,還產生了波長l>l0的x光,其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現象稱為康普頓效應(comptoneffect)。用經典電磁理論來解釋康普頓效應遇到了困難。康普頓藉助於愛因斯坦的光子理論,從光子與電子碰撞的角度對此實驗現象進行了圓滿地解釋。中國物理學家吳有訓也曾對康普頓散射實驗作出了傑出的貢獻,對康普頓散射現象的研究經歷了一、二十年才得出正確結果。
光子在介質中和物質微粒相互作用時,可能使得光向任何方向傳播,這種現象叫光的散射.1922年,美國物理學家康普頓在研究石墨中的電子對X射線的散射時發現,有些散射波的波長比入射波的波長略大,他認為這是光子和電子碰撞時,光子的一些能量轉移給了電子,康普頓假設光子和電子、質子這樣的實物粒子一樣,不僅具有能量,也具有動量,碰撞過程中能量守恆,動量也守恆.按照這個思想列出方程后求出了散射前後的波長差,結果跟實驗數據完全符合,這樣就證實了他的假設。這種現象叫康普頓效應。

2 康普頓效應 -原理概述

1922~1923年康普頓研究了X射線被較輕物質(石墨、石蠟等)散射后光的成分,發現散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外,還有波長較長的成分。這種散射現象稱為康普頓散射或康普頓效應。康普頓將0.71埃的X光投射到石墨上,然後在不同的角度測量被石墨分子散射的X光強度。當θ=0時,只有等於入射頻率的單一頻率光。當θ≠0(如45°、90°、135°)時,發現存在兩種頻率的散射光。一種頻率與入射光相同,另一種則頻率比入射光低。後者隨角度增加偏離增大。

實驗結果
1、散射光中除了和原波長λ0相同的譜線外還有λ>λ0的譜線。
2、波長的改變數Δλ=λ-λ0隨散射角φ(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加。
3、對於不同元素的散射物質,在同一散射角下,波長的改變數Δλ相同。波長為λ的散射光強度隨散射物原子序數的增加而減小。

康普頓效應康普頓效應

康普頓利用光子理論成功地解釋了這些實驗結果。X射線的散射是單個電子和單個光子發生彈性碰撞的結果。碰撞前後動量和能量守恆,化簡后得到Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(φ/2)稱為康普頓散射公式。λ=h/(m0c)稱為電子的康普頓波長。

內層電子不能當成自由電子。如果光子和這種電子碰撞,相當於和整個原子相碰,碰撞中光子傳給原子的能量很小,幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長。的譜線.由於內層電子的數目隨散射物原子序數的增加而增加,所以波長為λ0的強度隨之增強,而波長為λ的強度隨之減弱。康普頓散射只有在入射光的波長與電子的康普頓波長相比擬時,散射才顯著,這就是選用X射線觀察康普頓效應的原因。而在光電效應中,入射光是可見光或紫外光,所以康普頓效應不明顯。

3 康普頓效應 -產生原因

電磁波解釋
康普頓效應康普頓效應

單色電磁波作用於比波長尺寸小的帶電粒子上時,引起受迫振動,向各方向輻射同頻率的電磁波。經典理論解釋頻率不變的一般散射可以,但對康普頓效應不能作出合理解釋!

光子理論解釋:

X射線為一些e=hν的光子,與自由電子發生完全彈性碰撞,電子獲得光子的一部分能量,散射的光子能量減小,頻率減小,波長變長。這過程設動量守恆與能量守恆仍成立,則由
電子:P=m0V;E=m0V2/2(設電子開始靜止,勢能忽略)
光子:P=h/λ
其中(h/m0C)=2.34×10-12m稱為康普頓波長。

注意事項
康普頓效應康普頓效應

1.散射波長改變數lD的數量級為10-12m,對於可見光波長l~10-7m,lD<< P>
2.散射光中有與入射光相同的波長的射線,是由於光子與原子碰撞,原子質量很大,光子碰撞后,能量不變,散射光頻率不變。
3.康普頓效應的發現,以及理論分析和實驗結果的一致,不僅有力地證實了光子假說的正確性,並且證實了微觀粒子的相互作用過程中,也嚴格遵守能量守恆和動量守恆定律。

4 康普頓效應 -深遠影響

康普頓效應第一次從實驗上證實了愛因斯坦提出的關於光子具有波粒二象性的假設。這在物理學發展史上佔有重要的位置。光電效應、康普頓效應都為光的量子性提供了令人信服的證據,但康普頓效應比光電效應更前進了一步。這因為在解釋康普頓效應時不但要考慮能量守恆,還要考慮動量守恆,這說明光子具有動量,成為了光不僅具有波動性還具有粒子性的鐵證。由此為光的波粒二象性及德布羅意物質波假說提供了更完全的證據。因此,有人把康普頓效應的發現稱作物理學發展史中的一個轉折點。
光子在介質中和物質微粒相互作用時,可能使得光向任何方向傳播,這種現象叫光的散射.1922年,美國物理學家康普頓在研究石墨中的電子對X射線的散射時發現,有些散射波的波長比入射波的波長略大,他認為這是光子和電子碰撞時,光子的一些能量轉移給了電子,康普頓假設光子和電子、質子這樣的實物粒子一樣,不僅具有能量,也具有動量,碰撞過程中能量守恆,動量也守恆.按照這個思想列出方程后求出了散射前後的波長差,結果跟實驗數據完全符合,這樣就證實了他的假設。這種現象叫康普頓效應。

5 康普頓效應 -康普頓其人

康普頓效應康普頓

康普頓(Arthur Holly Compton)教授是美國著名的物理學家、「康普頓效應」的發現者。 1892年9月10日康普頓出生干俄亥俄州的伍斯特,1962年3月15日於加利福尼亞州的伯克利逝世,終年70歲。
康普頓出身於高級知識分子家庭,其父曾任伍斯特學院哲學教授兼院長。康普頓的大哥卡爾(KarL)是普林斯頓大學物理系主任,後來成為麻省理工學院院長,他是康普頓最親密的和最好的科學帶路人。

學生時代

康普頓中學畢業后,升入伍斯特學院。該院具有悠久的歷史傳統,這對康普頓一生的事業具有決定性的影響。在這裡,他所受的基礎教育,幾乎完全決定了他一生中對生活、科學的態度。在學院以外,康普頓熟悉許多感興趣的事物,諸如密執安的夏令營、卡爾早期的科學實驗,等等。所有這些對康普頓以後的科學生涯也都具有重要的作用。
1913年,康普頓從伍斯特學院畢業后,進入普林斯頓大學深造,1914年取得碩士學位,1916年取得博士學位。他的博士學位論文起先由里查遜(O·W·Richardson)指導,後來在庫克(H·L·Cooke)指導下完成。取得哲學博士學位后,康普頓在明尼蘇達大學(1916—1917)擔任為期一年的物理學教學工作,隨後在賓夕法尼亞州的東匹茲堡威斯汀豪斯電氣和製造公司擔任兩年研究工程師。在此期間,康普頓為陸軍通訊兵發展航空儀器做了大量有獨創性的工作;並且還取得鈉汽燈設計的專利。後面這一項工作跟他以後在美國俄亥俄州克利夫蘭內拉帕克創辦熒光燈工業密切相關;在內拉帕剋期間,他跟通用電氣公司的技術指導佐利·傑弗里斯(Zay Jeffries)密切配合,促進了熒光燈工業的發展,使熒光燈的研製進入最活躍的年代。

研究論證
康普頓效應康普頓

康普頓的科學家生涯是從研究X射線開始的。早在大學學習時期,他在畢業論文中,就提出一個新的理論見解,其大意是:在晶體中X射線衍射的強度是與該晶體所含的原子中的電子分佈有關。在威斯汀豪斯期間(1917——1919);康普頓繼續從事X射線的研究。從1918年起,他在理論在獲得X射線吸收與和實驗兩方面研究了X射線的散射。散射數據之間的定量吻合之後,根據J·J·湯姆遜的經典理論,康普頓提出了電子有限線度(半徑1.85×10-10」cm)的假設,說明密度與散射角的觀察關係。這是個簡單的開端,卻導致了後來形成的電子以及其它基本粒子的「康普頓波長」概念。這個概念後來在他自己的X射線散射的量子理論以及量子電動力學中都充分地得到了發展。
在這一時期他的第二項研究,是1917年在明尼蘇達大學跟奧斯瓦德·羅格利(Oswrald Rognley)一起開始的,這就是關於決定磁化效應對磁晶體X射線反射的密度問題。這項研究表明,電子軌道運動對磁化效應不起作用。他認為鐵磁性是由於電子本身的固有特性所引起的,這是一個基本磁荷。這一看法的正確性後來由他在芝加哥大學指導的學生斯特思斯(J·C·Stearns)用實驗得出的結果作了更有力的證明。
第—次世界大戰後,1919至1920年間,康普頓到英國進修,在劍橋卡文迪許實驗室從事研究。當時卡文迪許實驗室正處於最興旺發達的年代,許多年青有為的英國科學工作者從戰場轉到這裡跟隨盧瑟福、J·J·湯姆遜進行研究。康普頓認為它是一個最鼓舞人心的年代,在這段時間裡他不僅跟盧瑟福建立了關係;而且也得以與湯姆遜會面。當時,湯姆遜對他的研究能力給以高度的評價,這極大地鼓舞了康普頓,使他對自己的見解更加充滿信心。康普頓跟湯姆遜的友好關係二直保持到生命的最後一刻。
在劍橋期間,由於高壓X射線裝置不適用,康普頓便改用γ射線進行散射實驗。這—實驗不僅證實格雷(T·A·Gray)其他科學家早期研究的結果,同時也為康普頓對X射線散射實驗作更深人的研究奠定了基礎。

發表論文
康普頓效應康普頓效應

1923年,康普頓接受了芝加哥大學物理學教授職位(R·A·密立根曾經擔任過這一職位),同邁克爾遜共事。在這裡擔,他把自己的第一項研究定名為「康普頓效應」。由於他對「康普頓效應」的一系列實驗及其理論解釋,因此與英國的A·T·R威爾遜一起分享了1927年度諾貝爾物理學獎金。這時他年僅35歲。同年,他被選為美國國立科學院院士,1929年成為C·H·斯威夫特(C·H·Svift)講座教授。
1930年,康普頓改變了自己的主要興趣,從研究X射線轉為研究宇宙射線。這是因為宇宙射線中的高能γ射線和電子的相互作用是「康普頓效應」的一個重要方面(今天,高能電子與低能光子相互作用的反康普頓效應是天文物理學的重要研究課題)。第二次世界大戰期間,許多物理學家都關心「鈾的問題」,康普頓更不例外。1941年l1月6日,康普頓作為國立科學院鈾委員會主席,發表了一篇關於原子能的軍事潛力的報告,這篇報告促進了核反應堆和原子彈的發展。勞倫斯在加利福尼亞大學發現鈈,不久,曼哈頓工區冶金實驗室負責生產鈈,這些方面的工作主要也是由康普頓和勞倫斯領導的。費米設計的第一個原子核鏈式反應堆,也曾受到康普頓的支持和鼓勵。

康普頓是世界最偉大的科學家之一。他所發現的「康普頓效應」是發展量子物理學的核心。他的這一發現為自己在偉大科學家的行列中取得了無可爭辯的地位。

上一篇[網一代]    下一篇 [奶瓶男]

相關評論

同義詞:暫無同義詞