大学物理/量子物理基础/康普顿效应
电磁辐射与物质相互作用时:
- 入射光子能量较低时(h<0.5MeV),以光电效应为主;
- 入射的高能光子(h>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(),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(),投射到散射体-石墨上,
- 选择具有确定散射角的一束散射线,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:
- 波长变化随增大而增大,而与及散射物质无关。
- 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,能量为,动量为;
静止自由电子能量,动量为0
碰撞后:
散射角为的光子,频率为,能量为,动量为
沿着与入射线成角的方向运动,速度为,质量为,能量为,动量为
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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