量子〉自學(xué)輔導(dǎo)之十散射-2024鮮版

《量子〉自學(xué)輔導(dǎo)之十散射2024/3/271目錄散射現(xiàn)象與原理粒子間相互作用與散射截面彈性碰撞與非彈性碰撞過(guò)程分析典型實(shí)驗(yàn)介紹與數(shù)據(jù)分析方法量子力學(xué)中散射理論框架建立實(shí)際應(yīng)用舉例：材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域2024/3/27201散射現(xiàn)象與原理Chapter2024/3/273散射是指入射粒子（如光子、電子等）與靶粒子（如原子、分子等）相互作用后，改變其原有運(yùn)動(dòng)方向的現(xiàn)象。根據(jù)入射粒子與靶粒子相互作用方式的不同，散射可分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射中，入射粒子與靶粒子之間僅發(fā)生動(dòng)量和能量的交換，而不改變其內(nèi)部狀態(tài)；非彈性散射中，入射粒子與靶粒子之間不僅發(fā)生動(dòng)量和能量的交換，還會(huì)引起靶粒子內(nèi)部狀態(tài)的改變。散射現(xiàn)象定義散射分類(lèi)散射現(xiàn)象定義及分類(lèi)2024/3/274在經(jīng)典物理中，散射現(xiàn)象可以通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和麥克斯韋電磁理論進(jìn)行解釋。當(dāng)入射粒子與靶粒子發(fā)生相互作用時(shí)，它們之間的力會(huì)導(dǎo)致彼此的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。經(jīng)典物理中的散射解釋經(jīng)典物理中的散射理論在諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如光學(xué)中的瑞利散射、米氏散射等，以及原子物理學(xué)中的盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)等。經(jīng)典物理中的散射應(yīng)用經(jīng)典物理中散射解釋2024/3/275量子力學(xué)中的散射解釋在量子力學(xué)中，散射現(xiàn)象需要通過(guò)波函數(shù)和薛定諤方程進(jìn)行描述。入射粒子和靶粒子之間的相互作用可以視為一種勢(shì)場(chǎng)，波函數(shù)在該勢(shì)場(chǎng)中的演化決定了散射現(xiàn)象的發(fā)生和結(jié)果。量子力學(xué)中的散射應(yīng)用量子力學(xué)中的散射理論在諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如固體物理學(xué)中的電子衍射、中子衍射等，以及高能物理學(xué)中的粒子碰撞實(shí)驗(yàn)等。此外，在量子信息領(lǐng)域中，利用量子力學(xué)中的散射現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳輸和信息處理。量子力學(xué)視角下散射2024/3/27602粒子間相互作用與散射截面Chapter2024/3/277存在于夸克之間的一種相互作用力，是四種基本相互作用中最強(qiáng)的一種。存在于原子核內(nèi)的核子（質(zhì)子和中子）之間的相互作用力，屬于短程力，作用范圍在原子核尺度內(nèi)。帶電粒子之間的相互作用，遵循庫(kù)侖定律，作用力與電荷量的乘積成正比，與粒子間距離的平方成反比。一種普遍存在于粒子間的相互作用力，作用距離非常短，強(qiáng)度比電磁力和核力弱得多。核力相互作用庫(kù)侖相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用粒子間相互作用類(lèi)型2024/3/278散射截面定義01描述粒子間相互作用發(fā)生散射幾率的物理量，通常表示為面積單位，與入射粒子束的形狀和密度有關(guān)。計(jì)算方法02通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)量得到，理論計(jì)算通常基于量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)量則通過(guò)測(cè)量散射粒子的角分布、能量變化等參數(shù)反推得到散射截面。影響因素03入射粒子的能量、種類(lèi)、靶粒子的種類(lèi)和狀態(tài)等因素都會(huì)影響散射截面的大小。散射截面概念及計(jì)算方法2024/3/279

粒子間相互作用對(duì)散射影響改變散射角分布不同的相互作用類(lèi)型會(huì)導(dǎo)致不同的散射角分布，如庫(kù)侖相互作用導(dǎo)致前向散射增強(qiáng)，而核力相互作用可能導(dǎo)致大角度散射。影響散射截面大小相互作用的類(lèi)型和強(qiáng)度會(huì)影響散射截面的大小，如強(qiáng)相互作用通常導(dǎo)致較大的散射截面。改變粒子能量和動(dòng)量粒子間的相互作用可能導(dǎo)致入射粒子和靶粒子的能量和動(dòng)量發(fā)生變化，進(jìn)一步影響散射過(guò)程和結(jié)果。2024/3/271003彈性碰撞與非彈性碰撞過(guò)程分析Chapter2024/3/271101020304彈性碰撞定義在碰撞過(guò)程中，如果兩個(gè)物體之間只有動(dòng)能的交換，而沒(méi)有其他形式的能量損失，則稱(chēng)為彈性碰撞。能量守恒彈性碰撞中，系統(tǒng)的總動(dòng)能也保持不變，即碰撞前后的動(dòng)能相等。動(dòng)量守恒在彈性碰撞中，系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，即碰撞前后的動(dòng)量相等。碰撞結(jié)果彈性碰撞后，物體的速度會(huì)發(fā)生變化，但動(dòng)能和動(dòng)量保持不變。彈性碰撞過(guò)程及特點(diǎn)2024/3/2712非彈性碰撞定義動(dòng)量守恒能量損失碰撞結(jié)果非彈性碰撞過(guò)程及特點(diǎn)在碰撞過(guò)程中，除了動(dòng)能的交換外，還有其他形式的能量損失，如熱能、聲能等，則稱(chēng)為非彈性碰撞。非彈性碰撞中，系統(tǒng)的總動(dòng)能會(huì)減少，損失的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能、聲能等。非彈性碰撞中，系統(tǒng)的總動(dòng)量仍然保持不變。非彈性碰撞后，物體的速度也會(huì)發(fā)生變化，但動(dòng)能會(huì)減少。2024/3/2713聯(lián)系無(wú)論是彈性碰撞還是非彈性碰撞，都遵循動(dòng)量守恒定律。區(qū)別主要在于能量是否守恒。彈性碰撞中動(dòng)能守恒，而非彈性碰撞中動(dòng)能不守恒，會(huì)有部分能量轉(zhuǎn)化為其他形式。此外，彈性碰撞后物體速度變化但動(dòng)能不變，非彈性碰撞后物體速度變化且動(dòng)能減少。兩者間聯(lián)系與區(qū)別2024/3/271404典型實(shí)驗(yàn)介紹與數(shù)據(jù)分析方法Chapter2024/3/2715盧瑟福通過(guò)α粒子轟擊金箔，觀察α粒子的散射情況，從而推斷出原子核的存在和大小。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)備金箔和α粒子源，將金箔放置在真空環(huán)境中，用α粒子源發(fā)射α粒子轟擊金箔，記錄散射情況。根據(jù)散射角度和散射粒子的數(shù)量，可以推斷出原子核的大小和電荷量。030201盧瑟福α粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)2024/3/2716康普頓效應(yīng)是指X射線(xiàn)或伽馬射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子將部分能量轉(zhuǎn)移給電子，導(dǎo)致光子的波長(zhǎng)變長(zhǎng)、能量降低的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)原理準(zhǔn)備X射線(xiàn)或伽馬射線(xiàn)源和探測(cè)器，將射線(xiàn)源放置在樣品前，用探測(cè)器記錄經(jīng)過(guò)樣品后的射線(xiàn)強(qiáng)度和波長(zhǎng)變化。實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)射線(xiàn)強(qiáng)度和波長(zhǎng)的變化，可以計(jì)算出康普頓散射的角度和能量轉(zhuǎn)移情況，從而了解物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和原子間距。數(shù)據(jù)分析康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)2024/3/2717數(shù)據(jù)處理方法和技巧數(shù)據(jù)篩選在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去除異常值和誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。誤差分析在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，誤差是不可避免的。因此，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，了解誤差的來(lái)源和大小，以便更好地評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。數(shù)據(jù)擬合對(duì)于某些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行擬合，以更準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)。數(shù)據(jù)可視化通過(guò)圖表等方式將數(shù)據(jù)可視化，可以更直觀地展示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)，有助于更好地理解和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2024/3/271805量子力學(xué)中散射理論框架建立Chapter2024/3/2719波恩近似法的基本思想通過(guò)引入一個(gè)試探波函數(shù)，將散射問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解該波函數(shù)所滿(mǎn)足的積分方程，從而得到散射振幅和散射截面。試探波函數(shù)的構(gòu)造試探波函數(shù)需要滿(mǎn)足入射粒子和靶粒子的邊界條件，同時(shí)能夠描述它們之間的相互作用。積分方程的求解通過(guò)迭代或變分法等方法求解積分方程，可以得到散射振幅和散射截面的數(shù)值解。波恩近似法求解散射問(wèn)題2024/3/2720分波法的基本思想將散射問(wèn)題分解為多個(gè)分波問(wèn)題，每個(gè)分波對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的角動(dòng)量量子數(shù)，然后分別求解每個(gè)分波的散射振幅和散射截面，最后將它們疊加起來(lái)得到總的散射結(jié)果。分波法的優(yōu)點(diǎn)能夠處理具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靶粒子，如原子核或分子等；能夠考慮入射粒子和靶粒子之間的相互作用，從而得到更精確的散射結(jié)果。分波法的應(yīng)用在原子物理、核物理和分子物理等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，如電子-原子、中子-原子核、分子-分子等散射問(wèn)題的研究。分波法處理復(fù)雜體系散射問(wèn)題2024/3/2721畸變波恩近似（DWBA）在波恩近似的基礎(chǔ)上，考慮入射粒子和靶粒子之間的相互作用對(duì)波函數(shù)的影響，從而得到更精確的散射結(jié)果。該方法適用于處理弱相互作用體系。耦合通道方法通過(guò)引入多個(gè)通道來(lái)描述入射粒子和靶粒子之間的相互作用，從而得到更精確的散射結(jié)果。該方法適用于處理強(qiáng)相互作用體系。格林函數(shù)方法通過(guò)引入格林函數(shù)來(lái)描述入射粒子和靶粒子之間的相互作用，從而得到散射振幅和散射截面的解析表達(dá)式。該方法適用于處理簡(jiǎn)單體系或特定條件下的散射問(wèn)題。其他近似方法簡(jiǎn)介2024/3/272206實(shí)際應(yīng)用舉例：材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域Chapter2024/3/2723通過(guò)X射線(xiàn)或中子散射技術(shù)，可以研究晶體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如原子排列、晶格常數(shù)等，為材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供重要依據(jù)。晶體結(jié)構(gòu)分析利用散射技術(shù)可以分析薄膜材料的厚度、粗糙度、成分等信息，有助于了解薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制和性能特點(diǎn)。薄膜材料研究散射技術(shù)可用于研究高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及分子運(yùn)動(dòng)等信息，為高分子材料的合成和改性提供指導(dǎo)。高分子材料表征材料科學(xué)中散射技術(shù)應(yīng)用2024/3/2724醫(yī)學(xué)診斷和治療中散射技術(shù)應(yīng)用散射技術(shù)可用于研究藥物與生物大分子（如蛋白質(zhì)、DNA等）的相互作用，為藥物設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要信息。藥物研發(fā)X射線(xiàn)散射技術(shù)可用于醫(yī)學(xué)成像，如CT掃描等，通過(guò)測(cè)量X射線(xiàn)在人體組織中的散射情況，重建出人體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)圖像，為疾病診斷提供重要依據(jù)。醫(yī)學(xué)成像利用中子散射技術(shù)，可以精確地定位腫瘤位置并對(duì)其進(jìn)行放射治療，提高治療效果并減少副作用。放射治療2024/3/2725散射技術(shù)可用于大氣、水體等環(huán)境樣品的分析，了解污染物的分布、遷