Изучение рассеяния рентгеновских лучей

Рис.3 — Панель управления

Для удобства использования элементы контроля и управления объединены в отдельные группы.

Угол измерения.

При нажатии кнопки «Задать угол», выполняется та же команда, что и при выборе пункта меню «Модель_Задать угол». Случайным образом задается угол измерения, и Детектор соответствующим образом поворачивается. Значение угла в градусах отображается элементом управления, расположенным слева от кнопки.

Регистрация.

Кнопка «Источник вкл./выкл.» запускает и останавливает работу модели. При запуске включается Индикатор измерений, расположенный справа от метки «Регистрация». По окончанию измерений Индикатор выключается. Количество зарегистрированных на текущий момент частиц отображается на панели слева от кнопки «Источник вкл./выкл.».

Создать отчет.

Кнопка «Создать отчет» запускает программу Microsoft Word и создает по заложенному в программу шаблону документ отчета. В этом документе в соответствии с заданием пользователи обрабатывают и анализируют результаты измерений и создают отчет о проделанной работе.

Выход.

Кнопка «Выход» закрывает Главную форму и завершает работу приложения. При выполнении измерений эта команда блокируется.

Для удобства пользователей все основные команды элементов Панели управления продублированы в Главном меню программы.

Проведение эксперимента

При проведении модельного эксперимента пользователю необходимо руководствоваться заданием, и выполнить следующую последовательность операций:

·  Установить угол измерения с помощью кнопки «Задать угол».

·  Кнопкой «Источник вкл./выкл.» запустить модель и начать измерения. Индикатор измерений при этом включится.

·  Дождаться завершения процесса измерений, при этом Индикатор измерений выключится и в Журнале результатов появится новая строка.

Обработка и оформление результатов

Для обработки данных и составления отчета необходимо:

·  Кнопкой «Создать отчет» сформировать и открыть документ отчета.

·  Скопировать результаты измерений в буфер обмена с помощью команды Контекстного меню «Копировать список»

·  Вставить результаты в документ отчета

·  Выполнить соответствующие расчеты и оформить отчет

·  Сохранить файл отчета на диске

·  Закрыть форму отчета

По завершению работы необходимо закрыть главную форму и выйти из программы.

Литература

1.  С. Э. Фриш, А. В. Тиморева, Курс общей физики т. 3, Гос. изд. технико-теоретической литературы, Москва, 1952.

2.  Дж. Б. Мэрион, Физика и физический мир, Мир, Москва, 1975.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Изучение рассеяния рентгеновских лучей

Цель работы – исследование рассеяния рентгеновских лучей веществом.

После выполнения данной работы студенты должны:

·  уяснить сущность эффекта Комптона;

·  определять длину волны рассеянного рентгеновского излучения при разных углах рассеяния и энергию отдачи комптоновского электрона.

1. Краткая теория

Изучение рассеяния рентгеновских лучей с энергией 20–50 кэВ явилось важным этапом в становлении квантовой теории вещества. Обнаружение Комптоном изменения длины волны рентгеновского излучения при его рассеянии веществом, содержащим легкие атомы, подтвердило универсальный характер соотношения . До опытов Комптона полагалось, что данное соотношение применимо только для оптической области частот. Теперь же мы получили прямые доказательства того, что фотонную структуру имеет и более высокочастотное электромагнитное излучение. Кроме того, эксперименты Комптона дают дополнительные доказательства справедливости специальной теории относительности.

С классической точки зрения рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, которые при взаимодействии с атомами вещества способны вызвать вынужденные колебания электронов. При этом естественно ожидать, что частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой падающего излучения. Однако, экспериментально было обнаружено, что при рассеянии рентгеновских и гамма–лучей длина волны в спектре рассеянного излучения кроме первоначальной длины волны возбуждающего излучения появляется более длинные волны. Анализ этого явления, названного в последствии эффектом Комптона, позволило А. Комптону установить следующее:

·  в рассеянном излучении присутствуют как первоначальная длина волны возбуждающего излучения, так и длина волны, смещенная в сторону более длинных волн;

·  величина смещения зависит от угла рассеяния и возрастает при его увеличении;

·  при увеличении угла рассеяния интенсивность несмещенной линии падает, а интенсивность смещенной линии возрастает;

·  особенности этого явления объясняются, предположив, что рентгеновское излучение имеет чисто корпускулярную природу.

Рассмотрим более подробно явление рассеяние жестких рентгеновских лучей в графите, выполненные А. Комптоном в 1922 г. Схема опыта показана на рис.1. В опыте Комптона рентгеновские лучи, возникающие в трубке с молибденовым антикатодом при разности потенциалов 50 кВ, рассеивались в графитовой мишени. Длина волны падающего излучения отвечала так называемой Мо К–линии с длиной волны 0,7 =0,7×10-8 см, что соответствует энергии около 20 кэВ. Эта энергия весьма высока по сравнению с энергией связи почти всех электронов атома углерода.

Рис. 1 — Схема эксперимента Комптона

Экспериментальные спектры рассеяния при разных углах рассеяния q представлены на рис.2.

Рис. 2 — Экспериментальные спектры рассеяния

В спектре рассеянного излучения присутствует две линии: одна линия идентична по своим свойствам рассеиваемому излучению, а вторая линия имеет длину волны, которая зависит от угла рассеяния и сдвинута относительно длины волны падающего излучения в длинноволновую область.

Происхождение первой линии легко понять, исходя из волновых представлений падающего излучения. Первичное излучение заставляет электроны атомов вещества колебаться со своей собственной частотой n, и осциллирующие электроны являются источником излучения той же частоты n. В этом процессе происходит лишь временное изменение состояния атома, и электроны не испускаются. Можно ожидать, что такого рода рассеяние будут испытывать главным образом сильно связанные электроны атома, располагающихся на внутренних электронных оболочках (рис.3).

Рис. 3 — Рассеяние первичного излучения сильносвязанными электронами внутренних оболочек и слабосвязанными электронами внешних электронных оболочек атома

Электроны, располагающиеся на внешних электронных оболочках имеют малые энергии связи (10 – 100 эВ) по сравнению с энергией рентгеновского излучения. В таких условиях можно ожидать, что процесс рассеяния рентгеновского излучения будет происходить как на свободных электронах и они могут быть выброшены из атома в процессе рассеяния. В опытах Комптона удалось зарегистрировать электроны отдачи и показать, что электрон отдачи и рассеянное излучение коррелированы друг с другом. Поэтому именно рассеяние на внешних электронах отвечает за появление новой длинноволновой компоненты.

Для количественного анализа рассеяния А. Комптон применил квантовую теорию, согласно которой электромагнитное излучение представляется как состоящее из потока фотонов с энергией E = hn.

Согласно квантовой теории явление рассеяния рентгеновского излучения можно рассматривать как результат упругого столкновения рентгеновского фотона с почти свободным электроном. При этом фотон передает электрону часть своей энергии и часть своего импульса в соответствии с законами сохранения энергии и импульса. Кинематика рассеяния рентгеновского фотона на свободном электроне показана на рис.4.

Рис. 4 — Кинематика комптоновского рассеяния на свободном электроне

Фотон с частотой n и энергией сталкивается с покоящимся электроном, масса которого равна , а полная энергия электрона до столкновения или энергия покоя – .

После столкновения возникает фотон с частотой , движущийся под углом q к направлению движения первичного фотона, и электрона отдачи, обладающего энергией Ee и импульсом и образующий угол j с первичным направлением.