康普顿效应是什么以及它在物理学中是如何工作的

康普顿效应(也称为康普顿散射)是高能光子与目标碰撞的结果,目标从原子或分子的外壳释放松散结合的电子。散射辐射经历了无法用经典波理论解释的波长偏移,从而为爱因斯坦和光子理论提供了支持。可能这种效应最重要的含义是它显示出无法根据波浪现象完全解释光。康普顿散射是带电粒子对光进行非弹性散射的一个例子。核散射也会发生,尽管康普顿效应通常是指与电子的相互作用。

1923年,亚瑟·霍利·康普顿(Arthur Holly Compton)首次展示了这种效果(为此他获得了1927年诺贝尔物理奖)。康普顿'研究生Y.H.Woo后来验证了这一效果。

康普顿散射如何工作

散射如图所示。高能光子(通常是X射线或伽马射线)与目标碰撞,目标在其外壳中具有松散结合的电子。入射光子具有以下能量E和线性动量p

E=hc/λ

p=E/c

光子将部分能量以动能的形式提供给几乎自由的电子之一,正如粒子碰撞中所预期的那样。我们知道总能量和线性动量必须守恒。分析光子和电子的这些能量和动量关系,最终得到三个方程:

  • 能量
  • x-分量动量
  • y-分量动量

儿童科普书籍... 在四个变量中:

  • phi,电子的散射角
  • theta,光子的散射角
  • E,电子的最终能量
  • E'光子的最终能量

如果我们只关心光子的能量和方向,那么电子变量可以被视为常数,这意味着它可以求解方程组。通过结合这些方程并使用一些代数技巧来消除变量,康普顿得出以下方程(这显然是相关的,因为能量和波长与光子有关):

1/E'-1/E=1/(mc2)*(1-costheta

lambda'-lambda=h/(mc)*(1-costheta

h/(mc)称为电子的康普顿波长,值为0.002426 nm(或2.426 x 10-12m)。这当然是一个实际波长,但实际上是波长偏移的比例常数。

为什么这支持光子?

这种分析和推导是基于粒子的观点,结果很容易测试。从等式中可以清楚地看出,整个偏移可以纯粹根据光子散射的角度来测量。等式右侧的其他一切都是常数。实验表明情况确实如此,为光的光子解释提供了极大的支持。

由Anne-Marie Helmenstine博士编辑。

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