文档介绍：X射线的康普顿效应
实验前请仔细阅读附后的辐射防护知识。
(注:各组前10位同学预****核磁共振成像”,11、12号预****本实验)
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1、通过X-射线在NaCl晶体上的第一级衍射认识钼阳极射线管的能谱,了解Edge absorption。
2、验证X光子康普顿散射的波长漂移
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1、 X射线的产生
高速运动的电子遇到物质而减速时,即可产生X-射线。根据经典电动力学理论,这种减速将产生电磁波辐射。能谱分连续谱和特征谱两部分:连续谱是高速电子与靶原子发生碰撞,一般会有多次碰撞,辐射出的光子能量各不相同,形成连续谱,即轫致辐射,它是一个连续光谱,且有确定的最高频率(或最小波长)。
当电子的能量超过一临界值时,将会出现X射线的特征谱线,即在连续的轫致辐射光谱上添加分离的光谱线。这是因为当更高能量的电子深入到阳极原子的壳内,通过撞击将最里面轨道上的电子驱逐出来后,产生的空位由外层轨道的电子填补,并发射X射线。各外层电子跃迁到n=1的壳层(K层)产生的X射线组成K线系:L层到K层的为线,M层到K层的为线。
本实验的X射线光管结构如图:
X光管的结构如图4所示。它是一个抽成高真空的石英管,其下面(1)是接地的电子发射极,通电加热后可发射电子;上面(2)是钼靶,工作时加以几万伏的高压。电子在高压作用下轰击钼原子而产生X光,钼靶受电子轰击的面呈斜面,以利于X光向水平方向射出。(3)是铜块、(4)是螺旋状热沉,用以散热。(5)是管脚。
X射线的产生,为我们更透彻的认识事物的微观结构提供了一个非常有效的手段。因为其波长较短(与原子间距同数量级),射入原子有序排列的晶体时,会发生类似可见光入射到光栅时的衍射现象。其基本规律即为布拉格公式:,其中即掠射角,d是晶体的晶面间距。
2、康普顿效应
1923年,pton发现被散射体散射的X射线的波长的漂移,并将原因归结为X射线的量子本质。他解释这种效应是一个X光量子和散射物质的一个电子发生碰撞,其中X光量子的能量发生了改变,它的一部分动能转移给了电子。
h:普朗克常数 c:光速:波长
在碰撞中,能量和动量守恒。碰撞前,电子可以认为是静止的。碰撞后电子的速度为v,和是X光量子散射前后的波长,依据相对论的能量守恒的公式表述可以得到:
M0:电子的质量
X光子的动量为:
动量的守恒导致
:碰撞角度(见上图)
最终波长的改变量为
常数 定义为康普顿波长,
本实验是利用一个铜箔来证明波长漂移现象的存在。因为铜箔的透射系数TCu会随X光子的波长变化,故由于康散而导致的X光子波长的漂移就表现在透射率或计数率的改变。
波长与铜箔的透射率间的关系可以用公式表述为:
其中=,n=
实验的开始是记录被铝散射的X光子的无衰减时的计数率R0,接着是将铜箔放置在铝的前后得到的两个计数率R1和R2(看下图)。因为计数率低,故背景辐射R也要考虑。则透射率是:
和
由此得到X光子的平均波长、。根据公式得到波长的漂移为
故有
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实验仪器为德国莱宝公司生产的X射线实验仪。其正面从左往右依次为控制面板、X光室和实验区。控制面板的介绍如下:
1、控制面板
b1 为显示区,通常第一行显示G-M计数管的计数率(正比于X光光强),第二行显