证明:一个自由电子能否完全吸收一个光子

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  • 试证明一个静止的自由电子,不能完全吸收一个光子.

    〔解〕设一个光子的能量ε=h .按(15.2.11)式,此光子的动量为h /c.一个静止电子的静能为E0=m0c2,完全吸收上述光子后、电子的总能为E=mc2,动量为mv.按照狭义相对论的能量守恒定律和动量守恒定律,应有如下二式:

    m0c2+h =mc2 (15.2.13)

    o+h /c=mv (15.2.14)

    用反证法,假设此电子吸收光子时,可满足上式,则可从上述两式消去 ,再应用相对论的关系式消去m与m0得:

    h /c=mc-m0c=mv,即m0c=m(c-v)=γm0(c-v)

    ∴c=γ(c-v)=(c-v)/ ,

    即v2-cv=v(v-c)=0.解得v=0或v=c.

    所得结论v=0,与(15.2.14)式不符.另一结论v=c,与狭义相对论不符.可知上述假设:一个静止自由电子完全吸收一个光子的过程,不可能发生,因为此过程不能同时遵守能量守恒与动量守恒.

    〔说明〕一个静止的自由电子可吸收一个光子的部分能量.请参阅§15.3康普顿效应——x射线光子的散射实验.