電子科學(xué)與技術(shù)優(yōu)秀畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2024-12-16 09:51 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ? ?， 所以 這 兩個式子不能同時滿足，從而表明了如下的事實 ： 一個自由電子不能完全吸收一個光子的能 量。 僅當(dāng)電子被束縛在固體或原子中 ，具有一定的束縛能 時， 電子才能完全吸收光子 而產(chǎn)生光電效應(yīng)。 由于逸出功 A 一般只有幾個電子伏特，因此，入射光子的能 量 只要超過 A 就能產(chǎn)生光電效應(yīng)，故光子的能 量 較小 。 由于 原子內(nèi)層的電子 的 電離能 較大 ， 尤其是重元素 原子的 電離能很大 ，因此隨著入射光子能 量的增大， 除了金屬中的自由電子外，原子內(nèi)層電子也可吸收入射光子的能 量 而脫離原子 而 飛出物質(zhì)表面 。 在這種光電效應(yīng) (光電離 )中，還觀察到一種共振現(xiàn)象 ： 當(dāng)入射光子的能 量 與某個殼層的電子 結(jié)合能相 近時， 解脫電子的幾率最大 ， 所以用 ? 射線光子照射物質(zhì)表面，產(chǎn)生的光電子大部分來自內(nèi)層電 7 子 。 這時，因為 ? 射線光子的 450 10 ~ 10h eV? ? 數(shù) 量 級 ， 遠(yuǎn)大于金屬表面的逸出功 A ， 故 方程式 (1}應(yīng)為 2 2 20 1 0 1(1 1 )xh E A m c v c A? ? ? ? ? ?。 其中 2 2 20 (1 1 )xE m c v c??。 能量較大的光 子與自由電子碰撞產(chǎn)生康普頓效應(yīng) 上面的討論，已經(jīng)證明了光子與自由電子碰撞 時，自由電子不能吸收一個光子的全部能 量 ， 換句話說 ， 自由電子只能部分地吸收光子的 能量。 因此按照能量 轉(zhuǎn)換與守恒定律，式 （ 1） 應(yīng)改寫為 220 0 1h m c A A m c h??? ? ? ? ? （ 5） 對能量較大的光子，例如 ? 射線，波長為 197。~1197。， 光子的能量為 5400 1. 24 10 1. 24 10h hc e V e V??? ? ? ? ? 入射光子的能 量 與電子的靜能 250 10m c eV?? 有相同數(shù) 量 級 。 對于輕元素，從原子 K 殼層電離一個電子所需能 量 較小 ， 如鋁 ( 13Z? )， 它的 K 層電子的電離能最大約為 2KeV ， 遠(yuǎn)小于 ? 射線光子的能 量 ，即 01h A A? ?? ? ， 因此 (5)式中 的 1AA? 可忽略不計 。 同樣 ， 電子的熱運(yùn)動能 量也可忽略，碰撞 前可將它看作是靜止的 ， 這樣能 量 較大的光子與散射 物中的弱束縛電子的碰撞 可以看作光子與靜止自由電子的碰撞 (散射物中的自由電子理應(yīng)包含在內(nèi) )， 如圖 1 所示。于是 ， 式 (5)可寫成 2200h m c h m c??? ? ? （ 6） 將散射光子的動量 /nh c? 代替 式 （ 4） 中的 P，則 有 220 00 1h hn m v v c ncc? ?? ? ? （ 7） 聯(lián)立（ 6） 、（ 7） 兩式 ， 解得康普頓 散射 波長移動 為 20 2 s in 2?? ? ?? ? ? ? ? 式中 0 m c? ? ? 197。； ? 為散射角。 此外，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，這種從入射光中吸收一部分能量的電子叫反沖電子，有別于光電效應(yīng)中的光電子，后者吸收入射光子的全部能量。反沖電子的能量為 0eE h h????， 與入射光子的能 量 0h? 之比為 8 0 0 0 0 0 0( ) ( ) ( )Eh ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 02 si n /( 2 si n )22???? ? ? ? （ 8） 由 (8)式 ， 可計算原始光子的能 量 中有多少能 量 被反沖電子所獲得 。 例如入射光子波長 0 10 ? ? ? ? 197。 (硬 ? 射線范圍 )、 散射角 2??? 時， 比值 0 1 11eEh? ? 。當(dāng) 0 ? ??? 197。(屬于 ? 射線區(qū)域 )、 /2??? 時，比值 0/ 1/ 2eEh? ? ?？梢姡?對于一般的 ? 射線 (不太硬的 ? 射 線，即波長的 0 ? ? 197。 的 ? 射線 )，在散射角/2??? 處，比值 0/ 1/11eEh? ? ，表明反沖電子只獲得入射光子能量的很小一部分。由此也易 于區(qū)分反沖電子和光電子，因為光電子與入射光子的能 量 有相同的 數(shù)量級。 除了康普頓散射以外，還同時存在波長不變的散射 (湯姆遜散射 )。后者是入射光子與整 個原子的碰撞，由于原子的巨大質(zhì)量， 以致因彈性碰撞 而使散射光子的能量保持不變 .因而波長與入射光的波長相同。 對于重元素 ，內(nèi)層電子的電離能較大， 如鉛， K 層電子的電離能達(dá) 510eV 數(shù)量級，與入射 ? 射線光子的能量相近，不能再把這種電子看作自由電子了。 重元素原子的較外層〔如 L， M 層 )， 電子的電離能較小，康普頓散射將主要發(fā)生于光子與弱束縛電子間。因而當(dāng)原子序數(shù)增加時，波長改變的譜線強(qiáng)度 (康普頓散射 )將下降， 而不變譜線 (湯姆遜散射 )的強(qiáng)度將增長 。 隨 著入射光波長的增大，光子動量 0/ph?? 和 00/E h hc???? 均減小，轉(zhuǎn)移給反沖電子的那一部分動量和能量也隨之減小。例如，用 4000 197。 的紫光來觀察康普頓效應(yīng)，入射光子的能量 00/ 3 .1E h hc eV??? ? ?。 當(dāng)散射角 ??? 時，波長移動有最大值 m ax 2 ?? ? ? ? 197。， 與入射光波長之比僅為 5m ax 0/ 10?? ?? ? ?， 此時反沖電子的能量為 500 ( 1 / 1 / ) 3 1 0eE h h h c e V? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?， 比室溫下金屬中自由電子的平均熱運(yùn)動能量 （ 數(shù)量級為 210eV? )還要小 1000 倍，只占入射光子能量的十萬分之一，從而表明，顯著的康普頓波長移動和較大的反沖電子速度在入射光處于可見光區(qū)域時是觀察不到的，僅在波長很短的 X 射線 (包括波長更短些的下射線 )區(qū)域內(nèi)才能觀察到。 當(dāng)入射光子能量進(jìn)一步加大時，光電吸收和康普頓吸收均將很快減小。例如， 像鉛那樣重的物質(zhì)中，從光子能量 起 ， 光電吸收已 微 不足道 ， 康普 9 頓吸收也幾 乎 可不計。當(dāng)光子能量 MeV? ? 時又產(chǎn)
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