伽瑪射線與物質(zhì)相互作用——康普頓效應(yīng)及推導(dǎo)過程課件

1、12 電磁輻射與物質(zhì)相互作用時，可能會發(fā)生電磁輻射與物質(zhì)相互作用時，可能會發(fā)生若干種不同的效應(yīng)，若干種不同的效應(yīng)，這些效應(yīng)是不同能量的光這些效應(yīng)是不同能量的光子與物質(zhì)中的分子、原子、電子、原子核相互子與物質(zhì)中的分子、原子、電子、原子核相互作用的結(jié)果。各種現(xiàn)象發(fā)生的概率與入射光子作用的結(jié)果。各種現(xiàn)象發(fā)生的概率與入射光子的能量有密切關(guān)系。的能量有密切關(guān)系。 光子能量較低時光子能量較低時 (hv 0.5MeV)，以光電，以光電效應(yīng)為主；高能效應(yīng)為主；高能光子光子 (hv1.02MeV)可以與原可以與原子核發(fā)生作用，產(chǎn)生正負電子對子核發(fā)生作用，產(chǎn)生正負電子對; 當(dāng)入射光子當(dāng)入射光子具有中等能量時具有中

2、等能量時, 產(chǎn)生產(chǎn)生康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)。0、引言、引言 3探測器探測器 一、康普頓效應(yīng)一、康普頓效應(yīng) X 光管光管 光闌光闌入射光入射光散射物質(zhì)散射物質(zhì)散射光散射光 X射線通過散射物質(zhì)時射線通過散射物質(zhì)時,在散射線中，除了在散射線中，除了有波長與原波長相同的成分，還有波長較長的有波長與原波長相同的成分，還有波長較長的成分成分 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)。,04測量結(jié)果測量結(jié)果 0I0 450900I1350II 對任一散射角對任一散射角 , 都有兩種波長都有兩種波長 和和 的散的散射線。實驗還表明射線。實驗還表明, 對輕元素，波長變長的散射對輕元素，波長變長的散射線較強，而對重元素線較強，而對重

3、元素, 波長變長的散射線較弱。波長變長的散射線較弱。05 （3）對不同的散射物質(zhì)，只要在同一個散）對不同的散射物質(zhì)，只要在同一個散射角下，波長的改變量射角下，波長的改變量 - 0 都相同。都相同。 （1） 對于原子量較小的散射物質(zhì)，康普頓對于原子量較小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強，反之較弱。散射較強，反之較弱。 （2）波長的改變量）波長的改變量 -0 隨散射角隨散射角的增加而的增加而增加。增加。實驗規(guī)律實驗規(guī)律6 按照經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)一定頻率的電磁按照經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)一定頻率的電磁波照射物質(zhì)時，物質(zhì)中的帶電粒子將從入射波波照射物質(zhì)時，物質(zhì)中的帶電粒子將從入射波中吸收能量，作同頻率的受迫振動，

4、并向各方中吸收能量，作同頻率的受迫振動，并向各方向發(fā)射同一頻率的電磁波，這就是散射線。顯向發(fā)射同一頻率的電磁波，這就是散射線。顯然這個理論只能說明波長不變的散射現(xiàn)象而不然這個理論只能說明波長不變的散射現(xiàn)象而不能解釋康普頓散射。能解釋康普頓散射。經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理的困難7二、光子理論的解釋二、光子理論的解釋 電磁輻射是光子流，每一個光子都有確定電磁輻射是光子流，每一個光子都有確定的動量和能量。的動量和能量。X射線光子的能量約為射線光子的能量約為104105 eV， 它們與散射物質(zhì)中那些受原子核束縛它們與散射物質(zhì)中那些受原子核束縛較弱的電子較弱的電子 （結(jié)合能約為（結(jié)合能約為10102 eV）

5、 的相互的相互作用，可以看成光子與靜止自由電子的作用。作用，可以看成光子與靜止自由電子的作用。 自由電子吸收一個入射光子，發(fā)射一個波自由電子吸收一個入射光子，發(fā)射一個波長較長的光子（散射光子），同時電子與散射長較長的光子（散射光子），同時電子與散射光子沿不同方向運動。散射過程可以看作入射光子沿不同方向運動。散射過程可以看作入射光子與自由電子的彈性碰撞。光子與自由電子的彈性碰撞。8.入射光子入射光子靜止電子靜止電子散射光子散射光子反沖電子反沖電子00nchnchvmchch02201cmvv（1）coscos0vmchchsinsinhmcv動量守恒：動量守恒：能量守恒：能量守恒： 2200mc

6、hcmh（2）并利用質(zhì)速關(guān)系并利用質(zhì)速關(guān)系 消去藍色部分消去藍色部分9由由（1）式消去式消去 ，得，得)cos2(02202222vvvvv hcm（3）將將（2）式寫成式寫成2002cmhmcvv（4）將將（4）式平方后減去式平方后減去（3）式，得式，得202221mcmv可得可得cos10020vvvvhcm24222242022000022cos2()hhm cmcm cm c h v v vv- vvv10或?qū)懟驅(qū)懗沙蒫os1000cmhcc 康普頓散射波長改變量?？灯疹D散射波長改變量。 可見波長的改變量可見波長的改變量 與散射角與散射角有關(guān)有關(guān), 散散射角射角 越大，越大， 也越大；

7、也越大；波長的改變量波長的改變量與與入射光的波長無關(guān)。入射光的波長無關(guān)。00201coshm cvvvv00201coshm cvvv+v002011coshm cvvv112sin22sin22200ccmh上式也常寫成上式也常寫成式中式中nm0024. 0103101 . 91063. 6831340cmhc稱為稱為電子的康普頓波長電子的康普頓波長，其值等于在，其值等于在=90o方向上測得的波長改變量。方向上測得的波長改變量。12211cossin2000tgcmhtg已為實驗所證明。已為實驗所證明。反沖電子的運動方向反沖電子的運動方向 13散射線中波長不變成分散射線中波長不變成分 光子除

8、了與受原子核束縛較弱的電子碰撞光子除了與受原子核束縛較弱的電子碰撞外，還與受原子核束縛很緊的電子發(fā)生碰撞。外，還與受原子核束縛很緊的電子發(fā)生碰撞。這種碰撞的這種碰撞的散射波長不變散射波長不變。 康普頓散射的理論和實驗完全一致，在更康普頓散射的理論和實驗完全一致，在更加廣闊的頻率范圍內(nèi)更加充分地證明了光子理加廣闊的頻率范圍內(nèi)更加充分地證明了光子理論的正確性；又由于在公式推導(dǎo)中引用了動量論的正確性；又由于在公式推導(dǎo)中引用了動量守恒定律和能量守恒定律，從而證明了微觀粒守恒定律和能量守恒定律，從而證明了微觀粒子相互作用過程也遵循這兩條基本定律。子相互作用過程也遵循這兩條基本定律。14例例 波長為波長為

9、 0 = 0.020 nm 的的 X 射線與自由電子射線與自由電子發(fā)生碰撞，若從與入射角成發(fā)生碰撞，若從與入射角成90角的方向觀察角的方向觀察散射線。求（散射線。求（1）散射線的波長；（）散射線的波長；（2）反沖電）反沖電子的動能；（子的動能；（3）反沖電子的動量。）反沖電子的動量。解解（1）散射線的波長）散射線的波長 )cos1 (0cmhnm)90cos1 (103101 . 91063. 683134nm0024. 0150nm0224. 0000khchchchhE波長波長 （2）反沖電子的動能）反沖電子的動能 J1008. 1J1022. 0102 . 0024. 01031063. 615101