用X光验证康普顿效应

1、用X光验证康普顿效应0519091 张培摘要 当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变，成为非相干散射，即康普顿散射。康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相比拟时，散射才显著，故选用X射线观察康普顿效应。而在光电效应中，入射光是可见光或紫外光，所以康普顿效应不明显。X射线被物质散射后，散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。波长的改变量=-0随散射角(散射方向和入射方向之间的夹角)的增大而增加. 对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改

2、变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。关键词 光学 康普顿效应 X-ray 透射率引言X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1896年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。X射线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段。X射线的发现和研究，对20世纪以来的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。1895年德国实验物理学家伦琴（Wilhelm Konrad Rontgen，18541923）发现X射线。1909年英国物理学家巴克拉（Charles Glover Barkla，1877-1944）发现了

3、元素发出的X射线辐射都具有和该元素有关的特征谱线。德国物理学家劳厄（Max von Laue,1879-1960）发现X射线衍射。劳伦斯·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月设计出第一台X射线光谱仪。1914年，英国物理学家莫塞莱（Henry Moseley,1887-1915）发现，以不同元素作为产生X射线的靶时，所产生的特征X射线的波长不同，认为元素性质是其原子序数的周期函数。1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨

4、中的电子对X射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大，他认为这是光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒按照这个思想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据完全符合，这样就证实了他的假设。这种现象叫康普顿效应。康普顿进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性本质，从而导致了近代量子物理学的诞生和发展；另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基本规律，从理论和实验上都具有极其深远的意义。试用Cu吸收片透射率的经验公式验证X光在NaCl晶体中的康普顿散射。

5、理论/实验部分相同的射线之外，还出现一种波长'大于的新的射线。经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率 . 经典理论无法解释波长变化 . 1923年5月，康普顿用爱因斯坦的光子概念成功地解释了x 射线通过石墨时所发生的散射。康普顿认为x 光在散射体上的散射可以看作是入射光子与散射体中原子的外层电子进行碰撞。此时，原子的外层电子与原子实结合得较松，可以认为此电子是静止的自由电子。在碰撞过程中遵循能量守恒和动量守恒原理：即有：       其中 称为电子的康普顿波长。实验值 lc = 0.0241=2.4110-3nmX射线实验仪

6、给出Cu吸收片透射率的经验公式：a=7.6 n=2.75因X光管使用的是钼靶，故放入锆作吸收片。Z靶材料lK Z滤波材料 lK 42Mo0.710740Zr0.6888样品台上放置NaCl晶体，收集计数为R0，在初射缝前加Cu吸收片，计数R1,在入射缝前加Cu吸收片，计数R2，不加电流，本底计数R。得 设置 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°258064505500362120°2270577

7、04300287145°换为Al板7.031.0870.7130.357T1T2 pm pm测量 pm理论 pm0.1280.08562.266.44.24.40.1460.07260.768.07.33.60.1090.05363.870.76.94.4结果与讨论经计算比较，用NaCl晶体散射角度为145度时，测量结果与理论符合较好。可能误差影响因素：a. 因为计算l所用为经验公式，不一定符合测量用铜片的实际情况。理论上又有经验公式故n=3b. 实际散射包括波长改变的非弹性散射和波长不变的弹性散射，但所设计实验忽略了弹性散射，不准确。小结把电磁波视为一个静质量等于零的“粒子” (光

8、子)，把电子对电磁波的散射想象为光子和电子之间的碰撞。(a) 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变(b) 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。(c) 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。 (d) 轻原子中的电子一般束缚较弱，重原子中的电子只有外层电子束缚得较弱，内部电子是束缚得非常紧的，所以原子量小的物质，康普顿散射较强，而原子量大的物质，康普顿散射较弱。物理意义:a.光子假设的正确性，狭义相对论