用X光驗(yàn)證康普頓效應(yīng)

1、用X光驗(yàn)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)與電子的康普頓波長(zhǎng)相比擬時(shí)，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(jiàn)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(zhǎng)0相同的譜線外還有0的譜線。波長(zhǎng)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(duì)于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長(zhǎng)的改

2、變量相同。波長(zhǎng)為的散射光強(qiáng)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(duì)20世紀(jì)以來(lái)的物理學(xué)以至整個(gè)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(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen，18541923）發(fā)現(xiàn)X射線。1909年英國(guó)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(guó)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(jì)出第一臺(tái)X射線光譜儀。1914年，英國(guó)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(shí)，所產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)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(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨

4、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)?？灯疹D進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)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(shí)驗(yàn)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(yàn)公式驗(yàn)證X光在NaCl晶體中的康普頓散射。

5、理論/實(shí)驗(yàn)部分1922-1933年間康普頓（A.H.Compton）觀察X射線通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長(zhǎng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。散射光中除了和入射光波長(zhǎng)相同的射線之外，還出現(xiàn)一種波長(zhǎng)'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(wú)法解釋波長(zhǎng)變化 . 1923年5月，康普頓用愛(ài)因斯坦的光子概念成功地解釋了x 射線通過(guò)石墨時(shí)所發(fā)生的散射?？灯疹D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(shí)，原子的外層電子與原子實(shí)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(guò)程中遵循能量守恒和動(dòng)量守恒原理：即有：  

6、0;    其中 稱為電子的康普頓波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)值 lX射線實(shí)驗(yàn)儀給出Cu吸收片透射率的經(jīng)驗(yàn)公式：因X光管使用的是鉬靶，故放入鋯作吸收片。Z靶材料lK Z濾波材料 lK 42Mo40Zr樣品臺(tái)上放置NaCl晶體，收集計(jì)數(shù)為R0，在初射縫前加Cu吸收片，計(jì)數(shù)R1,在入射縫前加Cu吸收片，計(jì)數(shù)R2，不加電流，本底計(jì)數(shù)R。得 設(shè)置 U=30kV, I=1.00mA,Target angle=20°Sensor angleR0 s-1 t=60sR1 s-1 t=600sR2 s-1 t=600sR s-1t=600s I=0mA145°258064505

7、500362120°227057704300287145°換為Al板7.031.0870.7130.357T1T2 pm pm測(cè)量 pm理論 pm4.4結(jié)果與討論經(jīng)計(jì)算比較，用NaCl晶體散射角度為145度時(shí)，測(cè)量結(jié)果與理論符合較好?？赡苷`差影響因素：a. 因?yàn)橛?jì)算l所用為經(jīng)驗(yàn)公式，不一定符合測(cè)量用銅片的實(shí)際情況。理論上又有經(jīng)驗(yàn)公式故n=3b. 實(shí)際散射包括波長(zhǎng)改變的非彈性散射和波長(zhǎng)不變的彈性散射，但所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)忽略了彈性散射，不準(zhǔn)確。小結(jié)把電磁波視為一個(gè)靜質(zhì)量等于零的“粒子” (光子)，把電子對(duì)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。(c) 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。當(dāng)散射角增加時(shí)，波長(zhǎng)改變也隨著增加；在同一散射角下，所有散射物質(zhì)的波長(zhǎng)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(qiáng)，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(duì)論力學(xué)