Во избежание поломки прибора запрещено смещать
Лабораторная работа № 27
Изучение эффекта Комптона
Цель работы:
изучить процесс упругого столкновения фотонов и свободных электронов в твердом теле
Приборы и принадлежности:
установка по комптоновскому рассеянию
Литература:
1. Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. ООО "Издательство Астрель" , 2002.
2. Сивухин В. Д. Общий курс физики. Т. 5. Атомная и ядерная физика, - 4-е изд., стер. – М.: Физматлит: Изд. МФТИ, 2002.
3. Э.В.Шпольский. Атомная физика. Т. 1. Изд. седьмое. – М.: Наука, 1984.
4. "Методические описания". Папка на рабочем столе компьютера.
Введение
Эффект, названный эффектом Комптона, был открыт в 1922 - 1923 американским физиком Артуром Комптоном. Эксперимент, приведший к открытию этого эффекта, является одним из классических экспериментов, подтвердивших наличие корпускулярно-волнового дуализма в свойствах микрочастиц.
В своих экспериментах Комптон использовал рентгеновский спектрограф, который позволял измерять длину волны l излучения с помощью известного соотношения для максимумов дифракционной решетки:
,
здесь d – постоянная решетки, m – порядок максимума, a – направляющий угол (угол дифракции).
Исследуя рассеяние рентгеновского излучения на атомах элементов с малой атомной массой, Комптон установил, что рассеянные лучи, наряду с излучением первоначальной длины волны l0, содержат также лучи с большей длиной волны l. Разность длин волн Dl=l-l0, получившая название комптоновского смещения, зависела только от угла рассеяния j – угла между направлением рассеянного рентгеновского излучения и первоначальным направлением:
|
|
|
,
где значение LС, найденное опытным путем, равно 2,43 пм.
Один из спектров рассеянного рентгеновского излучения, полученный Комптоном, показан на рис. 1.
| Рис. 1. Спектр рассеяния рентгеновских лучей (приведен в работе Комптона. Phys. Rev. 1923). Линия Р соответствует первоначальной длине волны, линия Т – длине рассеянной волны. |
Классическая электродинамика, объясняя рассеяние электромагнитной волны электронами вещества, приходила к противоречивым выводам.
Например, свободный, покоящийся электрон должен испускать электромагнитное излучение той же длины волны, что и у падающей. Однако, под давлением излучения свободный электрон должен начать двигаться ускоренно. В этом случае должен наблюдаться эффект Доплера, вызывающий изменение частоты излучения, а значит и длины волны.
Расчеты давали следующую величину для изменения длины волны:
, (1)
здесь Е - энергия, полученная электроном от падающей волны, m – его масса, с - скорость света, а j - угол, под которым наблюдается рассеянная электромагнитная волна. Дальнейшие предсказания волновой теории также противоречили эксперименту. Так, величина смещения Dl по волновой теории должна постоянно возрастать во времени и зависеть от интенсивности падающей волны.
|
|
|
Указанные противоречия были сняты Комптоном, рассмотревшим рассеяние электромагнитных волн как процесс упругого столкновения частиц жесткого рентгеновского излучения с электронами. Решение задачи об упругом столкновении двух частиц – фотона и свободного электрона, при условии, что начальная скорость электрона равна нулю, приводит к формуле, аналогичной формуле (1):
, (2)
где l0 и l - длина волны фотона до и после столкновения, но множитель 
при таком подходе оказывается равным 
.
Постоянная величина
h/m0c=ΛC=2,43 пм
называется комптоновской длиной волны электрона.
Формула (2) находится в полном согласии с результатами экспериментов и является математическим выражением закона рассеяния Комптона.
Лабораторная установка
|
| Рис. 2. 1. Контейнер с радиоактивным изотопом, 2. Рассеиватель, 3. Детектор – сцинтиллятор и ФЭУ. |
Подробное описание опыта Комптона и теории рассеяния приведены в методических указаниях и в рекомендованной литературе. Лабораторная установка (внешний вид которой дан на рис. 1), представляет собой действующую модель установки по рассеянию рентгеновских лучей. Она описана в [4].
|
|
|
Необходимо отметить, что в ней вместо рентгеновского спектрографа Комптона используется сцинтилляционный g-спектрометр, работа которого основана на иных принципах. Рассеянный веществом g-квант попадет в сцинтиллятор, изготовленного из NaI и вызывает фотоионизацию. Происходящие при этом световые вспышки при помощи фотоэлектронного умножителя и амплитудного анализатора преобразуются в электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии кванта. Таким образом, регистрируется как число импульсов, так и их амплитуда. Типичный спектр (сравните спектр на рисунке 1!), полученный при помощи сцинтилляционного спектрометра, показан на рисунке 3.
Рис.3.
Амплитудный спектр, полученный посредством сцинтилляционного
спектрометра.
|
По оси абсцисс отложены номера каналов, каждому из которых соответствует определенное значение энергии g-кванта, по оси ординат – число импульсов (квантов), имеющих ту или иную энергию.
|
|
|
В спектре ярко выражен максимум – пик А, образованный квантами с максимальной энергией, называемый "пик полного поглощения". При меньших энергиях спектр представляет собой некое плато, происхождение которого обусловлено тем, что при взаимодействии g-квантов с электронами, последние получают различные энергии, вплоть до максимальной (см. формулу (9) методических указаний), равной
.
Таким образом, энергетический спектр должен обрываться при энергиях выше ЕМАХ, что имеет место в виде минимума слева от пика полного поглощения.
Измерения
Внимание !
Во избежание поломки прибора запрещено смещать
детектор за пределы 0о и 90о.
Экспериментальная задача состоит в измерении энергии рассеянных под разными углами g-квантов, определении соответствующей длины волны и в сравнении величины полученного смещения Комптона Dl=l-l0 с теоретически вычисленным. Экспериментальная часть работы включает в себя несколько этапов, детально описанных в методических указаниях в пункте «Задания»:
Подготовка к работе
Калибровка спектрометра
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 16; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!