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也说康普顿效应(答郭斌老师)

已有 3787 次阅读 2011-6-4 11:15 |个人分类:科研|系统分类:教学心得|关键词:康普顿效应,电子,光子,束缚态,动量,反冲| 光子, 电子, 动量, 康普顿效应, 束缚态

    刚才看到郭斌老师的博文“关于康普顿效应的几个问题”【1】,这些问题本来是深入思考康普顿效应时必然涉及的。遗憾的是,通常情况下老师和学生未必有兴趣去抠这些细节,通常是直接接受“康普顿效应是证明光具有粒子性的又一实例”这个结论了。事实上,如果在基础课上讲康普顿这类实验,并给出理论解释,构架出的物理模型必须很简单,突出关键要点就够了。如果深入细节,还是有很多值得思考的问题的,对训练学生的思考能力大有好处,但同时也容易产生更多的歧义甚至误导(“眉毛胡子一把抓”的恶果)。既然郭斌老师提出了这些问题,我就试着逐一分析解释一下:

 

(1)    问:康普顿效应中,反冲电子跑到哪里去了?在原子内部?从原子中逸出?

答:康普顿效应通常被解释为是动能很小的外层价电子和X-射线光子之间的碰撞,它造成的电子能量状态的改变应该是比较大的,应该是可以发生电离的。不过,这不是常规意义上的光电效应,因为光子的能量并未被电子完全吸收,而只有很少一部分传递给了电子。说到反冲电子的去处,应该比较有意思。据我估算,是完全可以从原子中逸出的,因为如果X-射线光子能量很大,则传递给电子的能量可以远大于外层价电子的电离能,电子在获得如此多的能量后,可以被电离。如果在很薄的样品上用能量很高的X-射线垂直入射进行康普顿散射实验,有可能使电离出来的电子穿越样品飞出的;如果X射线以掠入射的方式进行实验,应该更容易观测到逸出的电子,因此,云室实验的说法还是比较靠谱的。如果是垂直入射非常厚的样品,反冲电子会扎向深处,引起与辐照有关的一些次级效应。


2)若逸出,岂不形成光电流,出现光电效应?

答:按照上面的分析,可以有光电流,但未必是通常定义的“光电效应”。按照爱因斯坦的解释,光电效应是被束缚(强束缚状态)电子完全吸收一个光子能量时从样品表面逸出的效应,而康普顿效应中是近自由电子(弱束缚状态,能量在百分之几eV量级)只吸收一部分光子能量。

(3)    若不逸出,电子增大的能量岂不又使得原子处于某种激发态?

答:X-射线之类的电离辐射照射样品时,无论是发生光电效应还是康普顿效应,都很容易使样品中的原子(甚至不只一个)处于激发态,这不奇怪!

(4)       还有,在一本书(顾建忠编《原子物理学》)里讲述康普顿效应时,有这样一句话:反冲电子并不出现在康普顿效应中,这话是什么意思?不从原子中逸出吗?若是这样,那么在赵凯华编写的量子物理中,有这样一句话:反冲电子按一定的角度φ运动,“tanφ=(*),此式已在云室实验中得到证实是什么意思?

答:没空去查书,但如果引用最好把一段话完整地提供给读者,如果不清楚具体语境,容易引起误解。关于云室实验,我觉得用掠入射的方法可以做。

5光子与自由电子碰撞后,能量减小。这句话的理解方法:
  1
,光子的能量被电子完全吸收,然后,电子发射大波长的光子,同时自身运动;
  2
,光子的能量仅有部分传递给电子,然后因自身能量小,变为大波长光子。
  
如果是第二种理解方式,那么对于特定频率的X射线,光子本身不就是一个最小能量子吗?若是则能量不可再分,也就不能被电子吸收部分能量。因而部分能量传递给电子的说法应是不对的。你是怎么理解的?

答:如果用第二种解释,您的理解似乎有点儿问题。“光子本身不就是一个最小能量子”的说法恐怕不对。要叫我说,恐怕是“没有最小,只有更小”的。光子的发射和吸收过程中的确是能量不连续的,只能一个光子一个光子的进行,但是如果不是寻常的发射和吸收,而是在和电子碰撞这种相互作用过程中,其能量值是可以连续变化的。在量子力学中,束缚态的能量的确是不连续,而散射态的能量却是连续的。

如果用第一种理解,面临的最大问题是在自由电子吸收光子过程中动量守恒和能量守恒根本无法同时满足。

6)根据下面的图,当光子能量高到一定程度后,光电效应好像又消失了?

答:光电效应在高光子能量时必然趋于消失,因为在现有的原子体系中已经没有适合能量的束缚态电子去吸收光子能量了,只好“飞鸟尽,良弓藏”了。就像上面分析的,如果电子不是出于束缚态,它是不能吸收一个完整的光子发生光电效应,形象点儿说,就是如果光子的动量太大,“冲劲”太猛,电子会在来不及接受全部能量的时候就已经飞走了。

 

参考:

【1】       郭斌:关于康普顿效应的几个问题

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=483656&do=blog&id=451404

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-111635-451512.html

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