WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách...

28
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP HCM ---------- BÀI TIỂU LUẬN Đề tài : Tìm hiểu tán xạ Compton Khoa vật lý : ĐH Sư Phạm TP HCM Môn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: 1. Vũ Thanh Bình K37.102.001 2. Đặng Quang Đông K37.102.013 3. Ngô Thanh Hà K37.102.017 1 Compton (1892 1962)

Transcript of WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách...

Page 1: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP HCM

----------

BÀI TIỂU LUẬNĐề tài: Tìm hiểu tán xạ Compton

Khoa vật lý : ĐH Sư Phạm TP HCM

Môn : Quang học

GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo

Danh sách nhóm:

1. Vũ Thanh Bình K37.102.001

2. Đặng Quang Đông K37.102.013

3. Ngô Thanh Hà K37.102.017

4. Trần Thanh Mong K37.102.059

5. Phạm Trần Ý Như K37.102.076

6. Bùi Hoài Thu K37.102.103

7. Đào Thị Ngọc Thúy K37.102.106

8. Nguyễn T.Kim Trang K37.102.115

9. Nguyễn Thị Hiền K37.102.137

1

TP HCM , 20/05/2013

Compton (1892 – 1962)

Page 2: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................3

I. Lịch sử nghiên cứu..........................................................................4

1. Nhà vật lý Arthur Holly Compton..................................................4

2. Quá trình nghiên cứu hiệu ứng Compton.......................................5

II. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM...................................................................5

III. Giải thích .....................................................................................7

1. Phân tích định lượng.......................................................................7

2. Một số dạng bài tập Compton :....................................................14

IV. Các ứng dụng quan trọng của hiệu ứng Compton:.....................17

1. Công nghệ dò tìm bom mìn:.........................................................17

2. Trong thiên văn học:....................................................................18

Tài liệu tham khảo...............................................................................20

2

Page 3: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý hiện đại ngày càng phát triển, khó khăn mà các nhà nghiên cứu gặp

phải ngày càng nhiều. Những lý thuyết của vật lý cổ điển đã không thể giải

quyết được những vấn đề này, đòi hỏi cần phải có các lý thuyết mới ra đời đáp

ứng. Năm 1900, Plank đã nêu lên một thuyết mới thay thế cho quan niệm cổ

điển. Đó là “Thuyết lượng tử năng lượng”. Đến năm 1905, Einstein dựa trên

thuyết lượng tử năng lượng của Plank đã làm sống lại mô hình hạt của ánh sáng

bằng “Thuyết lượng tử ánh sáng”. Đề tài mà chúng tôi tìm hiểu sau đây là về

hiệu ứng Compton đã khẳng định bằng thực nghiệm lý thuyết cho rằng bức xạ

điền từ tạo nên bởi các photon.

Với kiến thức còn hạn chế, nên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá

trình tìm hiểu, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để đề tài

được hoàn thiện hơn.

Nhóm thực hiện

3

Page 4: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

I. Lịch sử nghiên cứu.1. Nhà vật lý Arthur Holly Compton.

Arthur Holly Compton  sinh ra tại Wooster, Ohio, vào ngày 10 tháng 9 năm 1892,

trong một gia đình tri thức. Cha của ông là hiệu trưởng Đại học Wooster mà ông theo

học. Anh trai Karl của ông cũng học ở Đại học

Wooster và trở thành một nhà vật lý, sau đó làm

chủ tịch của MIT. Ông tốt nghiệp Cử nhân Khoa

học vào năm 1913, và dành ba năm nghiên cứu

sau đại học tại Đại học Princeton nhận bằng thạc sĩ

vào năm 1914 và bằng tiến sĩ vào năm 1916. Năm

1920, ông được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý tại

Wayman Crow và Trưởng Khoa Vật lý tại Đại học

Washington, St Louis vào năm 1923.

Năm 1927 ông cùng với Charles Wilson đoạt giải Nobel vật lý cho khám phá về

hiệu ứng Compton. Ông làm hiệu trưởng Đại học Washington ở St Louis (1945-1953)

và làm việc tại đây cho đến khi ông nghỉ hưu vào năm 1961.

Tiến sĩ Compton đã được trao các huân chương danh dự như: Huân chương vàng

Rumford năm 1927; huy chương vàng của bức xạ Hội Bắc Mỹ năm 1928, huy chương

Hughes và huy chương Franklin năm 1940.

Ông đã đảm nhiệm các chức vụ như: Chủ tịch Hội Vật lý Mỹ (1934), Hiệp hội của

người lao động khoa học Hoa Kỳ (1939-1940), và Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ của Khoa

học (1942). Năm 1941, Compton đã được bổ nhiệm làm Chủ tịch của Viện Hàn lâm

Quốc gia Khoa học Ủy ban đánh giá sử dụng năng lượng nguyên tử trong chiến tranh. 

Trong nghiên cứu của mình, ông hợp tác với E.   Fermi  , L. Szilard, EP Wigner và

những người khác thành lập các lò phản ứng phân hạch có kiểm soát đầu tiên uranium

và các lò phản ứng sản xuất plutonium tại Hanford, Washington, sản xuất plutonium

cho quả bom Nagasaki, vào tháng Tám năm 1945.

Compton có rất nhiều hồ sơ khoa học và ông là tác giả của bức xạ thứ cấp sản xuất

bởi X-quang (1922), X- quang và Điện tử (1926), X-quang trong lý thuyết và thí

4

Page 5: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

nghiệm (1935), Tự do Man (1935), Về Đi College (1940), và ý nghĩa nhân Khoa

học (1940).

Năm 1916, ông kết hôn với Betty và có 2 người con trai. Arthur Allen làm trong

ngành ngoại giao Mỹ và John Josephlà giáo sư Triết học tại Đại học Vanderbilt . Ông

mất ngày 15 tháng 3 năm 1962, ở Berkeley, California.

2. Quá trình nghiên cứu hiệu ứng Compton.

Trong những ngày đầu tiên của ông tại Princeton, Compton đã sớm bắt đầu nghiên

cứu của mình trong lĩnh vực X-quang. Ông đã phát triển một lý thuyết về cường độ

của sự phản chiếu X-quang từ tinh thể như một phương tiện nghiên cứu sự sắp xếp của

các điện tử và nguyên tử.

Năm 1918 ông bắt đầu một nghiên cứu về tán xạ X-ray. Điều này dẫn vào năm

1923, ông khám phá ra hiện tượng tăng bước sóng của tia X do tán xạ của bức xạ điện

tử tự do, ngụ ý rằng các lượng tử phân tán có năng lượng ít hơn lượng tử của chùm tia

ban đầu. Hiệu ứng này, ngày nay gọi là hiệu ứng Compton, minh họa rõ ràng khái

niệm hạt của bức xạ điện từ, sau đó Charles Thomson Rees Wilson chế tạo buồng mây

chứng minh thực nghiệm của hiệu ứng Compton bằng bằng cách hiển thị sự tồn tại của

electron giật Compton Đối với khám phá này, Compton đã được trao giải Nobel Vật lý

năm 1927 cùng với Wilson, người đã nhận được giải thưởng cho khám phá của ông về

phương pháp buồng mây.[1]

II. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM.Năm 1923, Compton đã tiến hành thí nghiệm tán xạ của tia X trên một khối than

chì. Chiếu chùm tia X có bước sóng λ vào một bia graphit T như trên hình 1. Ông tiến

hành đo cường độ của tia X tán xạ từ bia trong một số hướng chọn lọc như một hàm

của bước sóng. Hình 2 biểu diễn các kết quả của ông. Chúng ta thấy rằng mặc dù

chùm tia tới chỉ chứa một bước sóng duy nhất, nhưng các tia X tán xạ lại có các cực

đại cường độ ở hai bước sóng. Một cực đại với bước sóng λ của tia tới, còn cực đại thứ

hai có bước sóng λ’ dài hơn λ một lượng Δλ. Độ dịch Compton – như người ta thường

gọi Δλ – thay đổi tùy theo góc mà ta quan sát các tia X tán xạ.

5

Page 6: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Compton xem chùm tia tới như dòng các photon có năng lượng E = hυ và xung

lượng p = h/λ cùng với giả thiết rằng một số photon đó đã va chạm với các electron ở

trong bia. Vì bị electron thu mất một số động năng trong va chạm nên photon bị tán xạ

phải có năng lượng E’ thấp hơn photon tới. do đó, nó sẽ có tần số υ’ thấp hơn và tương

ứng có bước sóng λ’ dài hơn đúng như ta quan sát. Như vậy chúng ta đã giải thích

được một cách định tính độ dịch Compton.[2]

III. Giải thích .1. Phân tích định lượng

6

Hình 2: Những kết quả của Compton đối với bốn giá trị của gocs tán xạ θ. Chú ý rằng độ dịch Compton tăng khi góc tán xạ tăng

Hình 1: Dụng cụ dùng để nghiên cứu hiệu ứng Compton. Chùm tia X đập đến bia graphit T. Các tai X tán xạ từ bia được quan sát ở các góc khác nhau đối với hướng tia tới. Detector (máy thu) đo cả cường độ lẫn bước sóng của các tia X tán xạ đó.

Page 7: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Trước hết ta tìm xung lượng của 1 photon. Xuất phát từ giả thuyết lượng tử của Planck về sự phụ thuộc của năng lượng của photon vào tần số của nó:

E=h (1)

Lại dùng hệ thức về sự tương đương giữa khối lương và năng lượng của

Einstein trong thuyết tương đối hẹp

E=mc2 (2)

Ta có thể tìm khối lượng động của photon:

Mphoton= (3)

Để tìm xung lượng (p=mV) của một photon, ta chỉ cần nhân khối lượng

photon với vận tốc chuyển động của nó:

pphoton = mphoton.c = (4)

Sử dụng hệ thức c=vλ và (6) ta được:

pphoton = = (5)

Bây giờ ta xem kỹ hình 2

Theo phép cộng vectơ, tổng xung lương photon và xung lương electron

sau tán xạ bằng xung lương của photon tới ban đầu. Đây chính là nội dung của

định luật bảo toàn xung lượng. Để tính xung lương của electron sau va chạm, ta

lưu ý tam giác phía trên hình 2 đồng thời sử dụng định lý hàm cosin:

( a2=b2+c2+2ab.cos )

7

Page 8: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Hình 3.1. Xung lương trong tán xạ Compton của một photon rơnghen

trên một electron tự do.

p’2 electron

= p2photon + p’2

photon – 2pphoton.p’

photon.cos (6)

Thay xung lương photon theo (5) vào ta được:

p’2 electron = + - 2 . cos (7)

theo ta sẽ có:

E’e = EP + Ee - E’p (8)

.

Đã biết rằng năng lượng photon được tính theo giả thuyết Planck, trong

đó tần số sau va chạm là v’. Năng lượng của electron nghỉ được tính theo công

thức biểu diễn sự tương đương khối lượng – năng lượng (2). Vậy năng lượng

E’e của electron sau va chạm là :

E’e = hv + me c2 - hv’ (9)

Theo thuyết tương đối hẹp năng lượng và xung lượng của một hạt tùy ý

được biểu diễn qua công thức quan hệ xung và năng lượng:

E= (10)

Giải (10) theo m2c4 cho electron sau tán xạ, ta thu được:

Ee’2 – p’e

2.c2 = me2.c4 (11)

Trong (11) thay E’e từ (8) và p’e từ (6) ta sẽ có:

(Ep + Ee –E’p )2 – (pphoton

2 + p’photon2 – 2pphoton.p’

photon.cos ).c2 = me2.c4 (12)

Kết hợp phương trình trên với (9) với (7) ta được:

(hv + me c2 - hv’) – ( + - 2 . cos ).c2 = me2.c4 (13)

8

Page 9: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Chuyển vế đi, ta thu được:

me2.c4 = h2v2 + 2hvmec2 – 2h2.vv’+ me

2.c4 - 2mec2 hv’+ h2v’2 - - +

(14)

Sau khi trừ me2.c4 ở cả hai vế ta có:

0 = h2v2 + 2hvmec2 – 2h2.vv’ - 2mec2 hv’+ h2v’2 - - + (15)

Sử dụng các công thức quen thuộc về tốc độ truyền sóng:

c = λv v = (16)

Tính thêm:

- Ở đây có thể đưa ra phép tính phụ cho số hạng bình phương trong (13):

(hv + me c2 - hv’)2 = h2v2 + hvmec2 – 2h2.vv’+ me2.c4 - 2mec2 hv’+ h2v’2

suy ra:

(17)

Và:

(18)

Thay (17) và (18) vào (15) ta nhận được:

0 = h2v2 + 2hvmec2 – 2h2.vv’ - 2mec2 hv’+ h2v’2 - - + (19)

Và cuối cùng, sau khi rút gọn, ta được:

9

Page 10: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

0 = 2hvmec2 – 2h2.vv’ - 2mec2 hv’ +2h2.vv’.cos (20)

Chia (20) cho 2h, sẽ có:

0 = vmec2 – hvv’ - mec2 v’ +hvv’.cos (21)

Ghép theo thừa số chung mec2 và –hvv’ ta nhận được:

0 = mec2(v-v’) – hvv’ (1-cos ) (21)

Hay: mec2(v-v’) = hvv’ (1-cos ) (23)

Chia 2 vế của (23) cho mec2 và vv’, ta được:

= (24)

Viết vế trái của phương trình trên thành 2 phân số:

(25)

Nhân cả 2 vế của (25) với c ta được:

(26)

Vì (xem (16)), ta có thể viết (26) dưới dạng:

(27)

Hiệu số bước sóng Δλ = λ’ – λ trong phương trình (27) không gì khác

chính là sự thay đổi bước sóng gây ra bởi tán xạ của photon (của tia Rơnghen)

trên các electron. Hiệu số này được gọi là độ dịch chuyển Compton. Như chúng

ta dễ dàng nhận thấy, sự thay đổi bước sóng của bức xạ điện từ chỉ phụ thuộc

vào góc tán xạ mà thôi, bởi vì tất cả phần còn lại trong (27) đều là hằng số.

10

Page 11: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Từ (27) cũng có thể thấy rằng, nếu góc tán xạ nhỏ, nghĩa là 1-cos 0

sự thay đổi bước sóng của photon cũng sẽ nhỏ. Còn nếu lớn, nghĩa là 1-cos

>> 0, sự thay đổi bước sóng cá giá trị lớn. có giá trị cực đại khi góc tán xạ =

1800.

(28)

Tất cả những tiên đoán lý thuyết này đều hoàn toàn trùng khớp với các

quan sát thực nghiệm của Compton.

Sự thay đổi bước sóng trong tán xạ Compton khi = 900 được gọi là

bước sóng Compton :

= = = 2,424.10-12 m (29)

Vì sao hiệu ứng Compton không xuất hiện ở ánh sang nhìn thấy ?

Đến đây, chúng ta có thể tự đặt câu hỏi: vì sao sự thay đổi tần số của bức xạ

điện từ khi tán xạ trên những electron tự do lại không quan sát thấy trên vùng

phổ ánh sáng nhìn thấy. Chúng ta có thể hình dung, chẳng hạn khi ánh sáng

xanh chiếu tới một vật nào đó, sau tán xạ trở nên có màu đỏ, tức là bức xạ nhìn

thấy có bước sóng dài hơn, tuy nhiên, trong thực tế điều đó đã không xảy ra.

Với ánh sáng nhìn thấy, độ dịch chuyển Compton không quan sát thấy một

cách rõ rệt bởi vì trong trong trường hợp này mối tương quan khối lượng giữa

electron và photon là hết sức không thuận lợi. Khi quan sát và va chạm đàn hồi

lý tưởng, người ta nhận thấy phần xung lượng được truyền sang đối tác va chạm

là nhiều nhất nếu tỉ lệ khối lượng là 1:1 .

Ta biết rằng, năng lượng của photon ánh sáng nhìn thấy khoảng 2,5 eV (ở

vùng bước sóng cỡ λ = 5.10-7 m). Trái lại, năng lượng của electron tính theo

tương đương khối lượng - năng lượng lại có giá trị cỡ 511.103 eV. Từ đó suy ra

khối lượng photon/electron là:

11

Page 12: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Để có thể so sánh trong khuôn khổ vĩ mô, ta hình dung một quả cầu nhỏ kim

loại đập vòa một bức tường thép vững chắc: quả cầu nhỏ sẽ bay ngược lại với

xung lượng hầu như không đổi và phần xung lượng (-2 cầu) mà nó truyền

cho bức tường thép với khối lượng cực lớn rõ rang là nhỏ đến mức có thể

bỏ qua. Năng lượng của quả cầu nhỏ có thể xem là không thay đổi.

Điều đó có nghĩa, đẻ phần năng lượng chuyển gia đáng kể đến mức sự

thay đổi bước sóng của photon tán xạ là quan sát được, thì tỉ lệ khối lượng

photon/electron không được quá nhỏ. Đấy chính là lý do vì sao trong thí

nghiệm của mình Compton đã sử dụng photon tới của bức xạ Rơnghen có

năng lượng tương đương năng lượng của electron nghỉ, điều kiện để có

thể đo được phần năng lượng chuyển từ photon sang electron, và đó chính

là điều không thể có ánh sáng nhìn thấy.

Phải chăng hiệu ứng Compton chỉ có thể giải thích bằng mô hình hạt ?

Chúng ta vừa chứng kiến, hiệu ứng Compton có thể được giải tích

tuyệt với bằng mô hình hạt của ánh sáng và bằng cách đó có thể tính được

đọ dịch chuyển bước sóng. Tuy nhiên, nói rang mô hình hạt là khả năng

duy nhất giải thích đượng hiệu ứng Compton lại là một sự nhầm lẫn

thường thấy trong cách tài liệu khoa học đại chúng cũng như trong các

sách giáo khoa nơi học đường.

Chính bản thân Compton cũng đã nhận ra rằng, bên cạnh cách giải

thích hiệu ứng bằng mẫu hạt của ánh sáng, cũng có thể chọn mô hình sóng

để đưa ra sự dịch chuyển bước sóng trong hiệu ứng. Trong trường hợp

này, có sự dịch chuyển bước sóng trong hiệu ứng Doppler, một hiệu ứng

phản ánh tính chất sóng của ánh áng, xảy ra khi có sự chuyển động tương

đối giữa nguồn phát sóng và máy nhận sóng, khiến cho dù chỉ có một

nguồn sóng mà tùy theo việc chọn hệ quy chiếu ta lại thu được những

12

Page 13: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

bước sóng khác nhau. Sự thay đổi bước sóng trong hiệu ứng Compton có

thể giải thích theo quan niệm sóng như sau:

Electron ở trạng thái nghỉ được gia tốc đến tốc độ v nhờ bước sóng

λ đến đạp vòa nó. Vấn đề ở đây là do bước sóng trong hệ quy chiếu nào:

trong hệ đứng yên gắn với electron đứng yên hay trong hệ gắn với

electron sau khi tán xạ với sóng điền từ. hệ sau chuyển động với vạn tốc

so với hệ trước. Do đó, nếu λ là bước sóng đo được trong hệ gắn với

electron chuyển động thì bước sóng đo được tron hệ gắn với electron

đứng yên sẽ là λ’ và λ’ > λ. Nghĩa là bước sóng của sóng tán xạ sẽ lớn hơn

bước sóng của ánh sáng tới một lượng Δλ = λ’ – λ.

Bằng cách mô tả hiệu ứng này theo lý thuyết sóng, ta cũng sẽ có

những tiên đoán lý tuyết định lượng về dịch chuyển bước sóng, và những

tiên đoán này cũng trùng hợp với những tiên đoán nhận được từ lý thuyết

hạt. như vậy, mô ta lý thuyết sóng cũng có giá trị tương đồng bên cạnh

mô tả bằng lý thuyết hạt mà ta đã khảo sát kỹ ở trên. Do đó, xin được

nhấn mạnh một lần nữa, trái với sự trình bày sai lầm trong không ít cuốn

sách vật lý, không chỉ mô hình hạt của ánh sáng mới cho phép ta hiểu và

tính toán hiệu ứng Compton, mà mô hình sóng cũng có giá trí hoàn toàn

tương đương.[3]

2. Một số dạng bài tập Compton :

Một tia X bước sóng 0,3 (A0) làm tán xạ đi một góc 600 do hiệu ứng

Compton. Tìm bước sóng của photon tán xạ và động năng của electron.

Giải:

Ta có +) = 0,3 + 0,0243(1-cos600) 0,312 (A0)

+) theo định luật bảo toàn năng lượng

13

Page 14: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

= =

K = = = (keV)

Với hc = (keV)

Photon tới có năng lương 0,8 (MeV) tán xạ trên electron tự do và biến

thành photon ứng với bức xạ có bước sóng bằng bước sóng Compton.

Hãy tính góc tán xạ.

Giải

Ta có +) Năng lượng photon tới :

+) Công thức Compton:

=0,0638

=50022’

Dùng định luật bảo toàn động lượng và công thức Compton, hãy tìm hệ

thức liên hệ giữa góc tán xạ và góc xác định hướng bay của

electron.

Giải

Ta có

H

p

p

ep

14

offsfrsdfrdsfrdsfrdstgb

Page 15: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Với : động lượng photon tán xạ

p : động lượng photon tới

: động lượng electron giật lùi

Dựa vào hình vẽ , ta có :

tan = mà p = và p’=

tan = = =

Trong hiệu ứng Compton, hãy tìm bước sóng của photon tới biết rằng

năng lượng photon tán xạ và động năng electron bay ra bằng nhau khi

góc giữa hai phương chuyển động của chúng bằng 900.

Giải:

Gọi Ke là động năng của electron .

Theo đề , ta có :

Ke = - =

Theo trên ta có:

=

Dẫn thức liên hệ giữa và ,ta có : 2 góc này phụ nhau .

15

Page 16: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

tan = = cot tan = tan

1 + = =

Đặt

Thế vào trên ta được : x2 =

Do đó

= = (A0)

= 600

IV. Các ứng dụng quan trọng của hiệu ứng Compton:1. Công nghệ dò tìm bom mìn:

Công nghệ tán xạ phản hồi tia X được phát triển trên nền tảng hiệu ứng tán xạ Compton.

16

Page 17: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Hình 1: kết cấu máy dò mìn

Cụ thể khi những hạt photon của tia X có năng lượng trong khoảng

0,5MeV đến 3,5MeV tác động với điện tử trong một vật liệu bất kỳ đường

đi của tia photon khi gặp môi trường không đồng nhất sẽ bị thay đổi.

Lòng đất thông thường có cấu tạo đồng đều, khi có bom, mìn, máy

dò công nghệ tán xạ phản hồi tia X lúc này sẽ thu nhận và tính toán các

thông số tín hiệu tia X phản hồi sau khi chúng tác động vào tín hiệu bom,

mìn, vật nổ nằm trong lòng đất và hiển thị chúng dưới dạng ảnh 2 chiều.

Công nghệ tán xạ phản hồi tia X là phương pháp chụp ảnh trực tiếp bởi tín hiệu tán xạ tương ứng với mật độ vật liệu.

Kết cấu máy dò gồm: Bộ phận phát tia X; bộ phận thu nhận tín hiệu năng lượng tia X tán xạ đa kênh.

Những ưu điểm chính của công nghệ tán xạ phản hồi tia X là: Xác

định được hình dạng, độ sâu vật thể; phát hiện được các loại vật nổ phi

kim loại; phát hiện được vật nổ trong các điều kiện địa chất, thổ nhưỡng

khác nhau, trong lòng đất bị thực vật bao phủ. Tỷ lệ báo tín hiệu báo sai

thấp, hiệu suất dò tìm cao, độ phân giải ảnh cao.[4]

2. Trong thiên văn học:

Chế tạo kính thiên văn:

Kính thiên văn tia gamma

Compton sử dụng hiệu ứng tán xạ

Compton để phát hiện và vạch ra các tia

gamma năng lượng cao.

17

Page 18: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Những bức ảnh do Compton chụp được cung cấp cho con người cái

nhìn về sự bùng nổ các tia gamma trong vũ trụ.

ð Dựa vào đó, các nhà khoa học đã lập bản đồ phân bố mật độ

năng lượng của dải thiên hà. 

Mặt khác, nhờ vào hiệu ứng compton ngược mà ta có thể xác định

được vị sự có mặt, cũng như tuổi của các thiên hà xa xôi hoặc lỗ đen

ngoài vũ trụ.

Khi quan sát về hướng những chùm thiên hà, các nhà thiên văn học

nhận thấy đường cong Planck biểu diễn phổ của bức xạ phông vũ trụ có

chút ít sai trệch so với đường cong của vật đen ở nhiệt độ 2,726 Kelvin.

Lý do là vì môi trường giữa những thiên hà trong những chùm thiên hà có

khí bị ion hoá và nóng tới hàng trăm triệu độ nên electron có năng lượng

cao và phát ra bức xạ X. Trong quá trình va chạm với photon, electron

năng lượng cao chuyển năng lượng cho photon (còn gọi là “hiệu ứng

Compton ngược”). Electron của chùm thiên hà tương tác với photon của

bức xạ phông vũ trụ qua hiệu ứng Compton ngược và làm tăng năng

lượng photon của bức xạ phông.

Do đó, ở hướng những chùm thiên hà, đường cong của phổ bức xạ

phông vũ trụ thay đổi chút ít. Hiện tượng này được tiên đoán bởi hai nhà

vật lý Sunyaev (Ouzbekistan) và Zeldovich (Nga) nên gọi là “hiệu ứng

Sunyaev-Zeldovich” (viết tắt là “hiệu ứng SZ”). Sự quan sát hiệu ứng SZ

là một trong những phương tiện để phát hiện những chùm thiên hà xa xôi

và để xác định hằng số Hubble, dẫn đến sự ước tính tuổi của vũ trụ. Kính

thiên văn dùng để quan sát hiệu ứng SZ và để phát hiện bức xạ yếu ớt của

những chùm thiên hà cần có độ phân giải cao.[5]

18

Hình 2: kính thiên văn Hubble

Page 19: WordPress.com · Web viewMôn : Quang học GVDH: Lê Hữu Trác - Trần Thị Hảo Danh sách nhóm: Vũ Thanh Bình K37.102.001 Đặng Quang Đông K37.102.013 Ngô Thanh Hà

Tài liệu tham khảo [1] Hockey, Thomas (2009). The Biographical Encyclopedia of

Astronomers. Springer Publishing. ISBN 978-0-387-31022-0. Retrieved August 22, 2012.

[2] David Halliday-Robert Resnick-Jearl Walker, Cơ sở vật lý tập 6, NXBGD, 2011.

[3] Lương Duyên Bình, Vật lý đại cương,NXBGD, 2012 (trang 112 đến 114). Silvia arroyo camejo , thế giới lượng tử huyền bí, NXB trẻ 2009 (trang 67 đến trang 76).

[4] http://www.khoa hoc.com.vn/congnghemoi/congnghemoi/45624_cong-nghe-do-tim-bom-min.aspx

[5] Nguyen Quang Rieu: Circumstellar Radio Molecular lines (The M-Type Stars; Monograph Series on Nonthermal Phenomena in Stellar Atmospheres, CNRS – NASA, p. 209, 1986). Nguyễn Quang Riệu,dấu ấn của thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ.

19