康普顿效应

康普顿实验证明了‌当X射线或高能光子与物质中的电子发生散射时，部分散射光的波长会增大，这一现象称为康普顿效应‌，它首次从实验上证实了光子具有动量，并验证了能量守恒和动量守恒在微观粒子相互作用中的普适性。

实验现象与核心证明

康普顿实验（1922-1923年）观察到X射线通过石墨等物质散射后，散射光中除原波长成分外，还出现波长增大的成分，且波长增量随散射角增大而增加。该效应证明：‌‌

1. ‌光子具有动量‌：光子与电子碰撞时动量转移导致波长变化，公式 Δλ = h​/mc(1 − cos θ)（ℎ为普朗克常量，m为电子质量， θ为散射角）定量验证了光子动量 p=hν/c​ 。‌‌
2. ‌微观过程守恒定律成立‌：实验数据与能量-动量守恒理论推导完全吻合，证实电子与光子碰撞中能量和动量严格守恒。‌‌
3. ‌光的粒子性‌：波长增大源于光子能量转移给电子，直接证明光具有粒子性，支持光的波粒二象性。

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        短波电磁辐射(如X射线，伽玛射线)射入物质而被散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还出现波长向长波方向移动的散射现象。

 
 
 
1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长l0的x光外，还产生了波长l>l0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(compton effect)。

 
 
  
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。这在物理学发展史上占有极端重要的位置。

 
 
吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了X射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。

实验结果：

(1)散射光中除了和原波长λ0相同的谱线外还有λ>λ0的谱线。

(2)波长的改变量Δλ=λ-λ0随散射角φ(散射方向和入射方向之间的夹角)的增大而增加.

(3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量Δλ相同。波长为λ的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。

康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒，化简后得到

Δλ=λ-λ0=(2h/m0c)sin^2(/θ2)

称为康普顿散射公式。

λ=h/(m0c)

称为电子的康普顿波长。

 
 
 
 
康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时，散射才显著，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因。而在光电效应中，入射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。

 

 
 

康普顿散射仪的主体和实验时的状态

 

康普顿散射谱仪的铅室内有光子的发射源 
¹³⁷Cs

康普顿效应与光电效应的区别：

光电效应作用于内层电子，光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿效应发生在束缚最松的外层电子上，光子只损失一部分能量。