康普顿效应与拉曼散射的区别

康普顿效应与拉曼散射的区别

拉曼散射（Raman scattering）,光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射.又称拉曼效应.1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射.1928年,印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象.拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1,2,3,…）的谱线,长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线,短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi与入射光频率v0无关,由散射物质的性质决定,每种散射物质都有自己特定的频率差,其中有些与介质的红外吸收频率相一致.拉曼散射的强度比瑞利散射（见光的散射）要弱得多.
以经典理论解释拉曼散射时,认为分子以固有频率vi振动,极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化,在频率为v0的入射光作用下,v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率.频率为v0的光即瑞利散射光,后两种频率对应拉曼散射谱线.拉曼散射的完善解释需用量子力学理论,不仅可解释散射光的频率差,还可解决强度和偏振等一类问题.
拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段,在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支.用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率,并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等.自激光问世以后,关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展,强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象.
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).
用经典电磁理论来解释康普顿效应遇到了困难.康普顿借助于爱因斯坦的光子理论,从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释.我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献.
对康普顿散射现象的研究经历了一、二十年才得出正确结果.
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重要的位置.光子在介质中和物质微粒相互作用时,可能使得光向任何方向传播,这种现象叫光的散射．1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大,他认为这是光子和电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量,碰撞过程中能量守恒,动量也守恒．按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差,结果跟实验数据完全符合,这样就证实了他的假设.这种现象叫康普顿效应.
发现
1922～1923年康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分,发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外,还有波长较长的成分.这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应.康普顿将0.71埃的X光投射到石墨上,然后在不同的角度测量被石墨分子散射的X光强度.当θ=0时,只有等于入射频率的单一频率光.当θ≠0（如45°、90°、135°）时,发现存在两种频率的散射光.一种频率与入射光相同,另一种则频率比入射光低.后者随角度增加偏离增大.
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(φ/2)
称为康普顿散射公式.
λ=h/(m0c)
称为电子的康普顿波长.
为什么散射光中还有与入射光波长相同的谱线?内层电子不能当成自由电子.如果光子和这种电子碰撞,相当于和整个原子相碰,碰撞中光子传给原子的能量很小,几乎保持自己的能量不变.这样散射光中就保留了原波长.的谱线．由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加,所以波长为λ0的强度随之增强,而波长为λ的强度随之减弱.
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.
解释
（1）经典解释（电磁波的解释）
单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时,引起受迫振动,向各方向辐射同频率的电磁波.经典理论解释频率不变的一般散射可以,但对康普顿效应不能作出合理解释!
（2）光子理论解释
X射线为一些e=hν的光子,与自由电子发生完全弹性碰撞,电子获得一部分能量,散射的光子能量减小,频率减小,波长变长.这过程设动量守恒与能量守恒仍成立,则由
电子：P=m0V；E=m0V2/2（设电子开始静止,势能忽略）
光子：P=h/λ
其中（h/m0C）=2.34×10-12m称为康普顿波长.
注意
1.散射波长改变量lD 的数量级为 10-12m,对于可见光波长 l~10-7m,lD