X射线的康普顿效应 美国物理学家康普顿(A.H.Compton)在研究X射线与物质散射的实验里，发现散射波 中含有波长增大的波，该现象就是著名的康普顿效应。康普顿指出：散射应遵从能量守恒和 动量守恒定律，出射X射线波长变长证明了X射线光子带有量子化动量。康普顿效应是近代 物理学的一大发现，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性，从而导致了 近代量子物理学的诞生和发展：另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基 本规律。因此，无论从理论或实验上，它都具有极其深远的意义。康普顿因此获得了1927 年度诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 实验研究散射X射线的能量随散射角的变化。 【实验原理】 1.X射线的产生和X射线能谱 高速运动的电子与物质相互作用减速时，即可产生X射线。实验室X射线源一般用高速 电子束激发金属靶产生的X射线，其核心部件是X射线管。本实验用的X射线管结构如图1所 示，它是一个抽成高真空的石英管，其工作原理如图2所示。工作时热阴极通电加热后可发 射电子，电子在高压加速作用下轰击钼阳极而产生X射线。钼靶受电子轰击的面是斜面，以 利于X射线定向射出。 3钼阳极 x射线(0.04~10nm) 冷却 2 4 散热螺纹铜块热阴极 管角 图1X射线管工作原理 图2钼X射线管结构 高速电子轰击靶材产生的X射线其能谱分连续谱和特征谱两部分，图3是钼阳极X射线管 的能谱。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，即韧致辐射，它是一个连续谱，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，并发出X射线。各外层电子跃 迁到K层产生的X射线组成K线系，L层到K层的为K线，M层到K层的为K线
X 射线的康普顿效应 美国物理学家康普顿（A. H. Compton）在研究X射线与物质散射的实验里，发现散射波 中含有波长增大的波，该现象就是著名的康普顿效应。康普顿指出：散射应遵从能量守恒和 动量守恒定律，出射X射线波长变长证明了X射线光子带有量子化动量。康普顿效应是近代 物理学的一大发现，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性，从而导致了 近代量子物理学的诞生和发展；另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基 本规律。因此，无论从理论或实验上，它都具有极其深远的意义。康普顿因此获得了1927 年度诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 实验研究散射X射线的能量随散射角的变化。 【实验原理】 1. X射线的产生和X射线能谱 高速运动的电子与物质相互作用减速时，即可产生X射线。实验室X射线源一般用高速 电子束激发金属靶产生的X射线，其核心部件是X射线管。本实验用的X射线管结构如图1所 示，它是一个抽成高真空的石英管，其工作原理如图2所示。工作时热阴极通电加热后可发 射电子，电子在高压加速作用下轰击钼阳极而产生X射线。钼靶受电子轰击的面是斜面，以 利于X射线定向射出。 1 散热螺纹 4 热阴极 5 管角 2 铜块 3 钼阳极 1 散热螺纹 4 热阴极 5 管角 2 铜块 3 钼阳极 图 2 钼 X 射线管结构 E1 E2 X 射线 冷却 < P K nm)10~04.0( E1 E2 X 射线 冷却 < P K nm)10~04.0( 图 1 X 射线管工作原理 高速电子轰击靶材产生的X射线其能谱分连续谱和特征谱两部分，图3是钼阳极X射线管 的能谱。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，并发出X射线。各外层电子跃 迁到K层产生的X射线组成K线系，L层到K层的为Kα线，M层到K层的为Kβ线
15000 Mo Ka MoX光管能谱 10000 Au La Au LB Mo KB E/keV 图3钼阳极X光管的能谱 (使用硅PN光电二极管和Zr滤片) 2.康普顿效应 康普顿效应可理解为X光子与自由电子碰撞的结果（图3）。若认为碰撞前电子是静止 的，根据相对论的能量守恒公式则有 h. +mc2= h.c m6·c2 (1) - E:=hva 其中h为普朗克常数、c为光速、1，和2为X光子散射前后 E=hv 的波长、o为电子的质量、v为碰撞后电子的速度。根 据动量守恒关系则有 mo h .c0s9+ ·V·C0S0= 图4康普顿散射示意图 和 sin9+- m .v.sin=0 (2) - 其中和0为散射角。碰撞前后X光子的波长改变量为 △7=2-元，=h1-cos0)=元.1-cos0) (3) mo·c 式中定义入.=2.426pm为电子的康普顿波长
图 3 钼阳极 X 光管的能谱 （使用硅 PIN 光电二极管和 Zr 滤片） 2. 康普顿效应 康普顿效应可理解为X光子与自由电子碰撞的结果（图3）。若认为碰撞前电子是静止 的，根据相对论的能量守恒公式则有 2 2 0 2 2 0 1 1 c cmch cm ch (1) 图 4 康普顿散射示意图 其中h为普朗克常数、c为光速、λ1和λ2为X光子散射前后 的波长、m0为电子的质量、ν为碰撞后电子的速度。根 据动量守恒关系则有 1 2 0 2 cos 1 cos h c h m 和 0sin 1 sin 2 0 2 c h m (2) 其中θ和φ为散射角。碰撞前后X光子的波长改变量为 )cos1()cos1( 0 21 c cm h (3) 式中定义λc=2.426pm为电子的康普顿波长
从公式(1)和(2)中可推出散射X光子的能量 E2= E (4) m。c21-cosa E 1+ 式中E,是入射X光子的能量。 【实验仪器】 X射线实验仪（含Mo阳极X光管和测角仪），X射线能量探测器，康普顿效应附件，计 算机辅助测量分析系统(CASSY)的传感器模块、多道分析仪模块和软件(CASSY Lab)。 【实验内容】 1.根据实验室提供的参考资料，调整设置实验系统（图5）。 图5测量入射X射线能谱（左图）和测量散射X射线能谱（右图）的实验系统设置 a-Zr滤片，b-准直器，c-衰减器，d-X射线能量探测器，e-散射体 2.调节入射X射线的计数率并设置探测器的零点位置。取下样品靶台，将能量探测器置 于0°位置：将衰减器装在圆形准直器上，并仔细对齐（螺孔分别在上下方向）；设置X光管 的高压为35kV、电流为0.1mA:开启高压，在能量探测器的0°位置附近仔细调节，寻找总计 数率最大的角度，设置该机械零点为能量探测器的0°角位置：调节X光管的电流，使计数率 约为150/s为宜（计数率不要超过200/s,以免损坏能量探测器）。 3.测量入射X射线的能谱，并进行能量定标。当使用硅PN光电二极管作为能量探测器 时，可使用AuLa线(9.71keV)和MoKa线(17.44keV)(见图3)进行能量定标。 4.用有机玻璃作为散射体，测量不同散射角度的散射X射线能谱，将测量结果与理论值 进行比较。测量时，取下衰减器，将有机玻璃散射体放置在样品靶台上并固定住：设置X光 管的高压为35kV、电流为0.9mA:将散射体靶台调至20°，在30°-150°间改变能量传感器的角 度，选择合适的测量时间，测量记录X射线散射谱；利用峰位计算拟合功能，确定和记录不 同角度散射谱的峰位：计算分析实验结果，并与公式(4)的理论值比较。 【注意事项】
从公式(1)和(2)中可推出散射X光子的能量 1 )cos1( 2 0 1 1 2 cm E E E (4) 式中E1是入射X光子的能量。 【实验仪器】 X射线实验仪（含Mo阳极X光管和测角仪），X射线能量探测器，康普顿效应附件，计 算机辅助测量分析系统（CASSY）的传感器模块、多道分析仪模块和软件（CASSY Lab）。 【实验内容】 1. 根据实验室提供的参考资料，调整设置实验系统（图5）。 图 5 测量入射 X 射线能谱（左图）和测量散射 X 射线能谱（右图）的实验系统设置 a-Zr 滤片，b-准直器，c-衰减器，d-X 射线能量探测器，e-散射体 2. 调节入射X射线的计数率并设置探测器的零点位置。取下样品靶台，将能量探测器置 于0°位置；将衰减器装在圆形准直器上，并仔细对齐（螺孔分别在上下方向）；设置X光管 的高压为35kV、电流为0.1mA；开启高压，在能量探测器的0°位置附近仔细调节，寻找总计 数率最大的角度，设置该机械零点为能量探测器的0°角位置；调节X光管的电流，使计数率 约为150/s为宜（计数率不要超过200/s，以免损坏能量探测器）。 3. 测量入射X射线的能谱，并进行能量定标。当使用硅PIN光电二极管作为能量探测器 时，可使用Au L线（9.71keV）和Mo K线（17.44keV）（见图3）进行能量定标。 4. 用有机玻璃作为散射体，测量不同散射角度的散射X射线能谱，将测量结果与理论值 进行比较。测量时，取下衰减器，将有机玻璃散射体放置在样品靶台上并固定住；设置X光 管的高压为35kV、电流为0.9mA；将散射体靶台调至20°，在30°-150°间改变能量传感器的角 度，选择合适的测量时间，测量记录X射线散射谱；利用峰位计算拟合功能，确定和记录不 同角度散射谱的峰位；计算分析实验结果，并与公式(4)的理论值比较。 【注意事项】
1.X射线实验仪的设计符合安全使用的规定，在仪器固有的保护和屏蔽条件下，使用时 X射线的泄露剂量小于luSv/h,与天然本底处同一数量级。为安全起见，应该做到：在开启 实验仪前应检查设备的外罩，尤其是铅玻璃窗和X射线管是否完好，玻璃滑门可关闭良好： 按下滑动门的安全锁销时，要确保X射线管的高压能自动切断。 2.为安全和延长X射线管的使用寿命，仅在工作需要时开启X射线管的工作电压，工作 结束应立即关闭X射线管的工作电压。的为避免X射线管过热，实验仪工作时，应确保X射 线管室的通风设备正常运转。 3.应避免测角仪转动中被卡住，切忌强行转动测角仪
1. X射线实验仪的设计符合安全使用的规定，在仪器固有的保护和屏蔽条件下，使用时 X射线的泄露剂量小于1μSv/ h，与天然本底处同一数量级。为安全起见，应该做到：在开启 实验仪前应检查设备的外罩，尤其是铅玻璃窗和X射线管是否完好，玻璃滑门可关闭良好； 按下滑动门的安全锁销时，要确保X射线管的高压能自动切断。 2. 为安全和延长X射线管的使用寿命，仅在工作需要时开启X射线管的工作电压，工作 结束应立即关闭X射线管的工作电压。的为避免X射线管过热，实验仪工作时，应确保X射 线管室的通风设备正常运转。 3. 应避免测角仪转动中被卡住，切忌强行转动测角仪
