伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用——康普頓效應(yīng)及推導(dǎo)過(guò)程課件

1、12 電磁輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電磁輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，可能會(huì)發(fā)生若干種不同的效應(yīng)，若干種不同的效應(yīng)，這些效應(yīng)是不同能量的光這些效應(yīng)是不同能量的光子與物質(zhì)中的分子、原子、電子、原子核相互子與物質(zhì)中的分子、原子、電子、原子核相互作用的結(jié)果。各種現(xiàn)象發(fā)生的概率與入射光子作用的結(jié)果。各種現(xiàn)象發(fā)生的概率與入射光子的能量有密切關(guān)系。的能量有密切關(guān)系。 光子能量較低時(shí)光子能量較低時(shí) (hv 0.5MeV)，以光電，以光電效應(yīng)為主；高能效應(yīng)為主；高能光子光子 (hv1.02MeV)可以與原可以與原子核發(fā)生作用，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)子核發(fā)生作用，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì); 當(dāng)入射光子當(dāng)入射光子具有中等能量時(shí)具有中

2、等能量時(shí), 產(chǎn)生產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。康普頓效應(yīng)。0、引言、引言 3探測(cè)器探測(cè)器 一、康普頓效應(yīng)一、康普頓效應(yīng) X 光管光管 光闌光闌入射光入射光散射物質(zhì)散射物質(zhì)散射光散射光 X射線(xiàn)通過(guò)散射物質(zhì)時(shí)射線(xiàn)通過(guò)散射物質(zhì)時(shí),在散射線(xiàn)中，除了在散射線(xiàn)中，除了有波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)相同的成分，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的有波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)相同的成分，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分成分 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)。,04測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果 0I0 450900I1350II 對(duì)任一散射角對(duì)任一散射角 , 都有兩種波長(zhǎng)都有兩種波長(zhǎng) 和和 的散的散射線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)還表明射線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)還表明, 對(duì)輕元素，波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射對(duì)輕元素，波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射線(xiàn)較強(qiáng)，而對(duì)重元素線(xiàn)較強(qiáng)，而對(duì)重

3、元素, 波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射線(xiàn)較弱。波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射線(xiàn)較弱。05 （3）對(duì)不同的散射物質(zhì)，只要在同一個(gè)散）對(duì)不同的散射物質(zhì)，只要在同一個(gè)散射角下，波長(zhǎng)的改變量射角下，波長(zhǎng)的改變量 - 0 都相同。都相同。 （1） 對(duì)于原子量較小的散射物質(zhì)，康普頓對(duì)于原子量較小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強(qiáng)，反之較弱。散射較強(qiáng)，反之較弱。 （2）波長(zhǎng)的改變量）波長(zhǎng)的改變量 -0 隨散射角隨散射角的增加而的增加而增加。增加。實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律6 按照經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)一定頻率的電磁按照經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)一定頻率的電磁波照射物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的帶電粒子將從入射波波照射物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的帶電粒子將從入射波中吸收能量，作同頻率的受迫振動(dòng)，

4、并向各方中吸收能量，作同頻率的受迫振動(dòng)，并向各方向發(fā)射同一頻率的電磁波，這就是散射線(xiàn)。顯向發(fā)射同一頻率的電磁波，這就是散射線(xiàn)。顯然這個(gè)理論只能說(shuō)明波長(zhǎng)不變的散射現(xiàn)象而不然這個(gè)理論只能說(shuō)明波長(zhǎng)不變的散射現(xiàn)象而不能解釋康普頓散射。能解釋康普頓散射。經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理的困難7二、光子理論的解釋二、光子理論的解釋 電磁輻射是光子流，每一個(gè)光子都有確定電磁輻射是光子流，每一個(gè)光子都有確定的動(dòng)量和能量。的動(dòng)量和能量。X射線(xiàn)光子的能量約為射線(xiàn)光子的能量約為104105 eV， 它們與散射物質(zhì)中那些受原子核束縛它們與散射物質(zhì)中那些受原子核束縛較弱的電子較弱的電子 （結(jié)合能約為（結(jié)合能約為10102 eV）

5、 的相互的相互作用，可以看成光子與靜止自由電子的作用。作用，可以看成光子與靜止自由電子的作用。 自由電子吸收一個(gè)入射光子，發(fā)射一個(gè)波自由電子吸收一個(gè)入射光子，發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子（散射光子），同時(shí)電子與散射長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子（散射光子），同時(shí)電子與散射光子沿不同方向運(yùn)動(dòng)。散射過(guò)程可以看作入射光子沿不同方向運(yùn)動(dòng)。散射過(guò)程可以看作入射光子與自由電子的彈性碰撞。光子與自由電子的彈性碰撞。8.入射光子入射光子靜止電子靜止電子散射光子散射光子反沖電子反沖電子00nchnchvmchch02201cmvv（1）coscos0vmchchsinsinhmcv動(dòng)量守恒：動(dòng)量守恒：能量守恒：能量守恒： 2200mc

6、hcmh（2）并利用質(zhì)速關(guān)系并利用質(zhì)速關(guān)系 消去藍(lán)色部分消去藍(lán)色部分9由由（1）式消去式消去 ，得，得)cos2(02202222vvvvv hcm（3）將將（2）式寫(xiě)成式寫(xiě)成2002cmhmcvv（4）將將（4）式平方后減去式平方后減去（3）式，得式，得202221mcmv可得可得cos10020vvvvhcm24222242022000022cos2()hhm cmcm cm c h v v vv- vvv10或?qū)懟驅(qū)懗沙蒫os1000cmhcc 康普頓散射波長(zhǎng)改變量。康普頓散射波長(zhǎng)改變量。 可見(jiàn)波長(zhǎng)的改變量可見(jiàn)波長(zhǎng)的改變量 與散射角與散射角有關(guān)有關(guān), 散散射角射角 越大，越大， 也越大；

7、也越大；波長(zhǎng)的改變量波長(zhǎng)的改變量與與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。00201coshm cvvvv00201coshm cvvv+v002011coshm cvvv112sin22sin22200ccmh上式也常寫(xiě)成上式也常寫(xiě)成式中式中nm0024. 0103101 . 91063. 6831340cmhc稱(chēng)為稱(chēng)為電子的康普頓波長(zhǎng)電子的康普頓波長(zhǎng)，其值等于在，其值等于在=90o方向上測(cè)得的波長(zhǎng)改變量。方向上測(cè)得的波長(zhǎng)改變量。12211cossin2000tgcmhtg已為實(shí)驗(yàn)所證明。已為實(shí)驗(yàn)所證明。反沖電子的運(yùn)動(dòng)方向反沖電子的運(yùn)動(dòng)方向 13散射線(xiàn)中波長(zhǎng)不變成分散射線(xiàn)中波長(zhǎng)不變成分 光子除

8、了與受原子核束縛較弱的電子碰撞光子除了與受原子核束縛較弱的電子碰撞外，還與受原子核束縛很緊的電子發(fā)生碰撞。外，還與受原子核束縛很緊的電子發(fā)生碰撞。這種碰撞的這種碰撞的散射波長(zhǎng)不變散射波長(zhǎng)不變。 康普頓散射的理論和實(shí)驗(yàn)完全一致，在更康普頓散射的理論和實(shí)驗(yàn)完全一致，在更加廣闊的頻率范圍內(nèi)更加充分地證明了光子理加廣闊的頻率范圍內(nèi)更加充分地證明了光子理論的正確性；又由于在公式推導(dǎo)中引用了動(dòng)量論的正確性；又由于在公式推導(dǎo)中引用了動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，從而證明了微觀(guān)粒守恒定律和能量守恒定律，從而證明了微觀(guān)粒子相互作用過(guò)程也遵循這兩條基本定律。子相互作用過(guò)程也遵循這兩條基本定律。14例例 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為

9、 0 = 0.020 nm 的的 X 射線(xiàn)與自由電子射線(xiàn)與自由電子發(fā)生碰撞，若從與入射角成發(fā)生碰撞，若從與入射角成90角的方向觀(guān)察角的方向觀(guān)察散射線(xiàn)。求（散射線(xiàn)。求（1）散射線(xiàn)的波長(zhǎng)；（）散射線(xiàn)的波長(zhǎng)；（2）反沖電）反沖電子的動(dòng)能；（子的動(dòng)能；（3）反沖電子的動(dòng)量。）反沖電子的動(dòng)量。解解（1）散射線(xiàn)的波長(zhǎng)）散射線(xiàn)的波長(zhǎng) )cos1 (0cmhnm)90cos1 (103101 . 91063. 683134nm0024. 0150nm0224. 0000khchchchhE波長(zhǎng)波長(zhǎng) （2）反沖電子的動(dòng)能）反沖電子的動(dòng)能 J1008. 1J1022. 0102 . 0024. 01031063. 615101