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大学物理/量子物理基础/康普顿效应

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大学物理/量子物理基础/康普顿效应

2024-07-11 20:12| 来源: 网络整理| 查看: 265

电磁辐射与物质相互作用时：入射光子能量较低时（h $\nu$ 1.02MeV），与原子核发生相互作用，产生正负电子对；入射光子具有中等能量，产生康普顿效应的概率较大。

康普顿效应

单色X射线（ $\small \lambda _{0}\approx 0.1nm$ ），被物质散射时，散射线中有两种波长。其中一种波长比入射线的长，且波长改变量与入射线波长无关，而随散射角的增大而增大。

康普顿散射实验 X射线源发出单色X射线（ $\small \lambda _{0}\approx 0.1nm$ ），投射到散射体-石墨上，选择具有确定散射角 $\small \theta$ 的一束散射线，用摄谱仪测出其波长及相对强度改变角度，进行同样测量。

实验结果：波长变化 $\small \triangle \lambda =\lambda - \lambda _{0}$ 随 $\small \theta$ 增大而增大，而与

$\small \lambda _{0}$ 及散射物质无关。对轻元素，波长变大的散射线相对较强；对重元素，波长变大的散射线相对较弱

经典电磁波理论只能说明瑞利散射，不能解释康普顿散射现象

光子理论的解释

康普顿效应是单个光子与物质中弱束缚电子相互作用的结果。------自由电子吸收一个入射光子后发射一个波长较长的光子，且电子与光子沿不同方向运动。（过程可以看作是入射光子与自由电子的弹性碰撞）

碰撞前：

入射光子频率为 $\large \nu _{0}$ ，能量为 $\large h\nu_{0}$ ，动量为 $\large (h\nu _{0}/c)\mathbf{n}^{0}$ ;

静止自由电子能量 $\large m_{0}c^{2}$ ，动量为0

碰撞后：

散射角为 $\small \theta$ 的光子，频率为 $\large \nu$ ，能量为 $\large h\nu$ ，动量为 $\large (h\nu /c)\mathbf{n}$

沿着与入射线成 $\large \varphi$ 角的方向运动，速度为 $\large \textit{v}$ ，质量为 $\small m=m_{0}/\sqrt{1-\left ( v/c \right )^{2}}$ ，能量为 $\small mc^{2}$ ，动量为 $\small mv$

其中电子的康普顿波长

启示：通过光与原子之间的碰撞，用光来支配和控制原子的运动自由度。如激光冷却技术

原子光学------原子也可以像光一样处于波的状态，即物质波

关于散射线中波长不变的波的解释

入射X射线光子与原子内层电子碰撞，由于内层电子被原子核紧紧束缚着，入射光子相当于和整个原子发生碰撞。结果产生的散射光波长与入射光波长相差极微小。

对于轻物质，原子核库仑场较弱，几乎所有电子都处于弱束缚状态，因此波长变长的散射光相对较强。对于重物质，大多数内层电子受到核的束缚较紧，因此波长变长的散射光相对较弱。

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