用X光驗證康普頓效應(yīng)

1、用X光驗證康普頓效應(yīng)0519091 張培摘要 當(dāng)物質(zhì)中的電子與原子之間的束縛力較?。ㄈ缭拥耐鈱与娮樱r，電子可能被X光子撞離原子成為反沖電子。因反沖電子將帶走一部分能量，使得光子能量減少，從而使隨后的散射波波長發(fā)生改變，成為非相干散射，即康普頓散射。康普頓散射只有在入射光的波長與電子的康普頓波長相比擬時，散射才顯著，故選用X射線觀察康普頓效應(yīng)。而在光電效應(yīng)中，入射光是可見光或紫外光，所以康普頓效應(yīng)不明顯。X射線被物質(zhì)散射后，散射光中除了和原波長0相同的譜線外還有0的譜線。波長的改變量=-0隨散射角(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加. 對于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長的改

2、變量相同。波長為的散射光強度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小。關(guān)鍵詞 光學(xué) 康普頓效應(yīng) X-ray 透射率引言X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。X射線的發(fā)現(xiàn)為諸多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種行之有效的研究手段。X射線的發(fā)現(xiàn)和研究，對20世紀(jì)以來的物理學(xué)以至整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。1895年德國實驗物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen，18541923）發(fā)現(xiàn)X射線。1909年英國物理學(xué)家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877-1944）發(fā)現(xiàn)了

3、元素發(fā)出的X射線輻射都具有和該元素有關(guān)的特征譜線。德國物理學(xué)家勞厄（Max von Laue,1879-1960）發(fā)現(xiàn)X射線衍射。勞倫斯布拉格（William Lawrence Bragg，1890-1971）提出著名的布拉格公式：2dsin=n。亨利.布拉格（William Henry Bragg 1862-1942）于1913年1月設(shè)計出第一臺X射線光譜儀。1914年，英國物理學(xué)家莫塞萊（Henry Moseley,1887-1915）發(fā)現(xiàn)，以不同元素作為產(chǎn)生X射線的靶時，所產(chǎn)生的特征X射線的波長不同，認(rèn)為元素性質(zhì)是其原子序數(shù)的周期函數(shù)。1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨中的電子對X

4、射線的散射時發(fā)現(xiàn)，有些散射波的波長比入射波的波長略大，他認(rèn)為這是光子和電子碰撞時，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)子這樣的實物粒子一樣，不僅具有能量，也具有動量，碰撞過程中能量守恒，動量也守恒按照這個思想列出方程后求出了散射前后的波長差，結(jié)果跟實驗數(shù)據(jù)完全符合，這樣就證實了他的假設(shè)。這種現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)。康普頓進(jìn)一步證實了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的二象性本質(zhì)，從而導(dǎo)致了近代量子物理學(xué)的誕生和發(fā)展；另一方面康普頓效應(yīng)也闡明了電磁輻射與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律，從理論和實驗上都具有極其深遠(yuǎn)的意義。試用Cu吸收片透射率的經(jīng)驗公式驗證X光在NaCl晶體中的康普頓散射。理論/實驗部

5、分相同的射線之外，還出現(xiàn)一種波長大于的新的射線。經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率 . 經(jīng)典理論無法解釋波長變化 . 1923年5月，康普頓用愛因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過石墨時所發(fā)生的散射。康普頓認(rèn)為x 光在散射體上的散射可以看作是入射光子與散射體中原子的外層電子進(jìn)行碰撞。此時，原子的外層電子與原子實結(jié)合得較松，可以認(rèn)為此電子是靜止的自由電子。在碰撞過程中遵循能量守恒和動量守恒原理：即有： 其中 稱為電子的康普頓波長。實驗值 lc = 0.0241=2.4110-3nmX射線實驗儀給出Cu吸收片透射率的經(jīng)驗公式：a=7.6 n=2.75因X光管使用的是鉬靶，故放入

6、鋯作吸收片。Z靶材料lK Z濾波材料 lK 42Mo0.710740Zr0.6888樣品臺上放置NaCl晶體，收集計數(shù)為R0，在初射縫前加Cu吸收片，計數(shù)R1,在入射縫前加Cu吸收片，計數(shù)R2，不加電流，本底計數(shù)R。得 設(shè)置 U=30kV, I=1.00mA,Target angle=20Sensor angleR0 s-1 t=60sR1 s-1 t=600sR2 s-1 t=600sR s-1t=600s I=0mA145258064505500362120227057704300287145換為Al板7.031.0870.7130.357T1T2 pm pm測量 pm理論 pm0.128

7、0.08562.266.44.24.40.1460.07260.768.07.33.60.1090.05363.870.76.94.4結(jié)果與討論經(jīng)計算比較，用NaCl晶體散射角度為145度時，測量結(jié)果與理論符合較好。可能誤差影響因素：a. 因為計算l所用為經(jīng)驗公式，不一定符合測量用銅片的實際情況。理論上又有經(jīng)驗公式故n=3b. 實際散射包括波長改變的非彈性散射和波長不變的彈性散射，但所設(shè)計實驗忽略了彈性散射，不準(zhǔn)確。小結(jié)把電磁波視為一個靜質(zhì)量等于零的“粒子” (光子)，把電子對電磁波的散射想象為光子和電子之間的碰撞。(a) 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變(b) 若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。(c) 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。當(dāng)散射角增加時，波長改變也隨著增加；在同一散射角下，所有散射物質(zhì)的波長改變都相同。 (d) 輕原子中的電子一般束縛較弱，重原子中的電子只有外層電子束縛得較弱，內(nèi)部電子是束縛得非常緊的，所以原子量小的物質(zhì)，康普頓散射較強，而原子量大的物質(zhì)，康普頓散射較弱。物理意義:a.光子假設(shè)的正確性，狹義相對論力學(xué)的