1、12 电磁辐射与物质相互作用时，可能会发生电磁辐射与物质相互作用时，可能会发生若干种不同的效应，若干种不同的效应，这些效应是不同能量的光这些效应是不同能量的光子与物质中的分子、原子、电子、原子核相互子与物质中的分子、原子、电子、原子核相互作用的结果。各种现象发生的概率与入射光子作用的结果。各种现象发生的概率与入射光子的能量有密切关系。的能量有密切关系。 光子能量较低时光子能量较低时 (hv 0.5MeV)，以光电，以光电效应为主；高能效应为主；高能光子光子 (hv1.02MeV)可以与原可以与原子核发生作用，产生正负电子对子核发生作用，产生正负电子对; 当入射光子当入射光子具有中等能量时具有中
2、等能量时, 产生产生康普顿效应。康普顿效应。0、引言、引言 3探测器探测器 一、康普顿效应一、康普顿效应 X 光管光管 光阑光阑入射光入射光散射物质散射物质散射光散射光 X射线通过散射物质时射线通过散射物质时,在散射线中，除了在散射线中，除了有波长与原波长相同的成分，还有波长较长的有波长与原波长相同的成分，还有波长较长的成分成分 康普顿效应康普顿效应。,04测量结果测量结果 0I0 450900I1350II 对任一散射角对任一散射角 , 都有两种波长都有两种波长 和和 的散的散射线。实验还表明射线。实验还表明, 对轻元素，波长变长的散射对轻元素，波长变长的散射线较强，而对重元素线较强，而对重
3、元素, 波长变长的散射线较弱。波长变长的散射线较弱。05 （3）对不同的散射物质，只要在同一个散）对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量射角下，波长的改变量 - 0 都相同。都相同。 （1） 对于原子量较小的散射物质，康普顿对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。散射较强，反之较弱。 （2）波长的改变量）波长的改变量 -0 随散射角随散射角的增加而的增加而增加。增加。实验规律实验规律6 按照经典电磁波理论，当一定频率的电磁按照经典电磁波理论，当一定频率的电磁波照射物质时，物质中的带电粒子将从入射波波照射物质时，物质中的带电粒子将从入射波中吸收能量，作同频率的受迫振动，
4、并向各方中吸收能量，作同频率的受迫振动，并向各方向发射同一频率的电磁波，这就是散射线。显向发射同一频率的电磁波，这就是散射线。显然这个理论只能说明波长不变的散射现象而不然这个理论只能说明波长不变的散射现象而不能解释康普顿散射。能解释康普顿散射。经典物理的困难经典物理的困难7二、光子理论的解释二、光子理论的解释 电磁辐射是光子流，每一个光子都有确定电磁辐射是光子流，每一个光子都有确定的动量和能量。的动量和能量。X射线光子的能量约为射线光子的能量约为104105 eV， 它们与散射物质中那些受原子核束缚它们与散射物质中那些受原子核束缚较弱的电子较弱的电子 （结合能约为（结合能约为10102 eV）
5、 的相互的相互作用，可以看成光子与静止自由电子的作用。作用，可以看成光子与静止自由电子的作用。 自由电子吸收一个入射光子，发射一个波自由电子吸收一个入射光子，发射一个波长较长的光子（散射光子），同时电子与散射长较长的光子（散射光子），同时电子与散射光子沿不同方向运动。散射过程可以看作入射光子沿不同方向运动。散射过程可以看作入射光子与自由电子的弹性碰撞。光子与自由电子的弹性碰撞。8.入射光子入射光子静止电子静止电子散射光子散射光子反冲电子反冲电子00nchnchvmchch02201cmvv（1）coscos0vmchchsinsinhmcv动量守恒：动量守恒：能量守恒：能量守恒： 2200mc
6、hcmh（2）并利用质速关系并利用质速关系 消去蓝色部分消去蓝色部分9由由（1）式消去式消去 ，得，得)cos2(02202222vvvvv hcm（3）将将（2）式写成式写成2002cmhmcvv（4）将将（4）式平方后减去式平方后减去（3）式，得式，得202221mcmv可得可得cos10020vvvvhcm24222242022000022cos2()hhm cmcm cm c h v v vv- vvv10或写或写成成cos1000cmhcc 康普顿散射波长改变量。康普顿散射波长改变量。 可见波长的改变量可见波长的改变量 与散射角与散射角有关有关, 散散射角射角 越大，越大， 也越大；
7、也越大；波长的改变量波长的改变量与与入射光的波长无关。入射光的波长无关。00201coshm cvvvv00201coshm cvvv+v002011coshm cvvv112sin22sin22200ccmh上式也常写成上式也常写成式中式中nm0024. 0103101 . 91063. 6831340cmhc称为称为电子的康普顿波长电子的康普顿波长，其值等于在，其值等于在=90o方向上测得的波长改变量。方向上测得的波长改变量。12211cossin2000tgcmhtg已为实验所证明。已为实验所证明。反冲电子的运动方向反冲电子的运动方向 13散射线中波长不变成分散射线中波长不变成分 光子除
8、了与受原子核束缚较弱的电子碰撞光子除了与受原子核束缚较弱的电子碰撞外，还与受原子核束缚很紧的电子发生碰撞。外，还与受原子核束缚很紧的电子发生碰撞。这种碰撞的这种碰撞的散射波长不变散射波长不变。 康普顿散射的理论和实验完全一致，在更康普顿散射的理论和实验完全一致，在更加广阔的频率范围内更加充分地证明了光子理加广阔的频率范围内更加充分地证明了光子理论的正确性；又由于在公式推导中引用了动量论的正确性；又由于在公式推导中引用了动量守恒定律和能量守恒定律，从而证明了微观粒守恒定律和能量守恒定律，从而证明了微观粒子相互作用过程也遵循这两条基本定律。子相互作用过程也遵循这两条基本定律。14例例 波长为波长为
9、 0 = 0.020 nm 的的 X 射线与自由电子射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察角的方向观察散射线。求（散射线。求（1）散射线的波长；（）散射线的波长；（2）反冲电）反冲电子的动能；（子的动能；（3）反冲电子的动量。）反冲电子的动量。解解（1）散射线的波长）散射线的波长 )cos1 (0cmhnm)90cos1 (103101 . 91063. 683134nm0024. 0150nm0224. 0000khchchchhE波长波长 （2）反冲电子的动能）反冲电子的动能 J1008. 1J1022. 0102 . 0024. 01031063. 6151010834eV680016220hhp121021034kgms)1022. 0(1)102 . 0(11063. 6123kgms105 . 400)/()(tanhh3 .4222. 020. 0arctan（3）反冲电子的动量）反冲电子的动量 0/h/hp17谢谢大家！谢谢大家！
