康普頓散射實(shí)驗(yàn)介紹.ppt

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1、康普頓散射(Comptonscattering)定義：短波電磁輻射(如X射線，伽瑪射線)射入物質(zhì)而被散射后，除了出現(xiàn)與入射波同樣波長(zhǎng)的散射外，還出現(xiàn)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的散射現(xiàn)象。1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究x射線通過(guò)實(shí)物物質(zhì)發(fā)生散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長(zhǎng)l0的x光外，還產(chǎn)生了波長(zhǎng)l>l0的x光，其波長(zhǎng)的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)(comptoneffect)。用經(jīng)典電磁理論來(lái)解釋康普頓效應(yīng)遇到了困難?？灯疹D借助于愛(ài)因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對(duì)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了圓滿地解釋。我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)也曾對(duì)康普頓散射實(shí)驗(yàn)作出了杰出的貢

2、獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)1922年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨中的電子對(duì)X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，有些散射波的波長(zhǎng)比入射波的波長(zhǎng)略大，他認(rèn)為這是光子和電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，康普頓假設(shè)光子和電子、質(zhì)子這樣的實(shí)物粒子一樣，不僅具有能量，也具有動(dòng)量，碰撞過(guò)程中能量守恒，動(dòng)量也守恒。短波長(zhǎng)電磁輻射射入物質(zhì)而被散射后，在散射波中，除了原波長(zhǎng)的波以外，還出現(xiàn)波長(zhǎng)增大的波，散射物的原子序數(shù)愈大，散射波中波長(zhǎng)增大部分的強(qiáng)度和原波長(zhǎng)部分的強(qiáng)度之比就愈小。按照這個(gè)思想列出方程后求出了散射前后的波長(zhǎng)差，結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合，這樣就證實(shí)了他的假設(shè)。這種現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置以電子質(zhì)量代入(4)，可得電子

3、的康普頓波長(zhǎng)為λc=2.42631×10-2?，所以波長(zhǎng)改變是一極小的量。上面的公式也可應(yīng)用于其他帶電粒子與光子的碰撞，此時(shí)M0代表粒子質(zhì)量。如質(zhì)子的康普頓波長(zhǎng)為1.32141×10-5??？灯疹D的最初實(shí)驗(yàn)是觀察X射線經(jīng)過(guò)石墨的散射。因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)是?量級(jí)的，散射后波長(zhǎng)的改變才是有意義的。X光子能量大，而石墨中價(jià)電子受到的束縛弱，可以近似認(rèn)為是靜止的自由電子。實(shí)驗(yàn)測(cè)得散射光波長(zhǎng)與散射角θ的關(guān)系：圖3a表示入射X射線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。圖3b，圖3c，圖3d表示在散射角θ不同時(shí)X射線的強(qiáng)度分布。此時(shí)得兩峰值，其一在入射X射線波長(zhǎng)處。新的峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即康普頓理論所預(yù)言的散射X射線波長(zhǎng)。測(cè)量結(jié)果證明

4、康普頓的公式是正確的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(1)散射光中除了和原波長(zhǎng)λ0相同的譜線外還有λ>λ0的譜線。(2)波長(zhǎng)的改變量Δλ=λ-λ0隨散射角φ(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加.(3)對(duì)于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長(zhǎng)的改變量Δλ相同。波長(zhǎng)為λ的散射光強(qiáng)度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小。X射線的散射是單個(gè)電子和單個(gè)光子發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。碰撞前后動(dòng)量和能量守恒解釋1）經(jīng)典解釋（電磁波的解釋）單色電磁波作用于比波長(zhǎng)尺寸小的帶電粒子上時(shí)，引起受迫振動(dòng)，向各方向輻射同頻率的電磁波。經(jīng)典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對(duì)康普頓效應(yīng)不能作出合理解釋!（2）光子理論解釋X射線為一些e=hν的

5、光子，與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，電子獲得一部分能量，散射的光子能量減小，頻率減小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)。這過(guò)程設(shè)動(dòng)量守恒與能量守恒仍成立，則由電子：P=m0V；E=m0V2/2（設(shè)電子開(kāi)始靜止，勢(shì)能忽略）光子：P=h/λ其中（h/m0C）=2.42×10-12m稱為康普頓波長(zhǎng)。在散射X射線中波長(zhǎng)不變的成分可以用內(nèi)層電子散射來(lái)解釋。內(nèi)層電子緊緊束縛于原子核上，在應(yīng)用康普頓公式時(shí)，M0應(yīng)該理解為核質(zhì)量。這時(shí)候的康普頓波長(zhǎng)要比自由電子的康普頓波長(zhǎng)小得多。X射線波長(zhǎng)不變。進(jìn)一步的分析表明，在物質(zhì)中電子總是在運(yùn)動(dòng)的。運(yùn)動(dòng)電子與光子彈性碰撞的結(jié)果可以使光子動(dòng)量變小，也可以使光子動(dòng)量增加。散射光波長(zhǎng)相應(yīng)地可以增大，也

6、可以減小。前面的康普頓公式就不適用了，這時(shí)散射光波長(zhǎng)的改變應(yīng)該考慮到多普勒效應(yīng)。這是廣義的康普頓效應(yīng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，人們得到了一些有意義的應(yīng)用。如當(dāng)人們觀察X射線通過(guò)物質(zhì)后的散射強(qiáng)度分布時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)所造成的強(qiáng)度分布。這就能了解電子在原子與物質(zhì)中的速度分布。