康普頓散射：90° 波長偏移
1·預測
X 射線光子會散射自由電子。散射光子的波長是否改變，如果改變，偏移量是否取決於散射角？
- 每個角度的波長偏移都是相同的。
- 是的－波長偏移隨著散射角的增加而增加，在 180°（直線向後）達到最大值。
- 散射光子的波長不會改變（就像經典的波散射）。
2·設定
- 開啟 compton-90 預設並按下 Reset。入射X射線波長為0.05 nm。
- 啟用波長偏移讀數。
- 設定每次試驗的散射角並記錄波長偏移。
3·收集數據
| 散射角θ (°) | 波長偏移 Δλ (pm) |
|---|---|
| 30.00 | |
| 60.00 | |
| 90.00 |
針對三次試驗，繪製Δλ（y軸）相對(1 − cos θ)（x軸）的關係圖。直線是否通過原點？
4·分析
- 對於其中一次試驗，使用h = 6.626×10⁻³⁴ J·s、m_e = 9.109×10⁻³¹ kg、c = 3×10⁸ m/s，計算Δλ = (h/(m_ec))(1 − cos θ)。將結果與表格比較。
- 注意，Δλ 根本不取決於入射波長，只取決於角度。解釋為什麼無論入射 X 射線是 0.05 nm 還是 0.5 nm，康普頓位移都是相同的。
5·擴展
- 康普頓 1923 年的實驗是歷史性證據，顯示光的行為就像具有確定動量的粒子（光子），而不僅僅是波——純波圖預測散射中根本不會發生波長偏移。解釋為什麼波長相關的偏移無法用經典方法解釋。
- 常數 h/(m_ec) ≈ 2.43 pm 稱為電子的康普頓波長。解釋為什麼這設定了光子波長在電子散射時可以移動多少的自然尺寸尺度。
這個實驗背後的物理原理
康普頓散射公式
自由電子散射的光子會移動到更長的波長，Δλ = (h/m_ec)(1 − cos θ)，僅取決於散射角 θ－直接證據顯示光子像粒子一樣攜帶動量。