Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tìm hiểu về hiệu ứng compton

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận được thực hiện nhằm tìm hiểu sâu hơn về hiệu ứng và ứng dụng của nó trong đời sống. Đồng thời, từ đề tài nghiên cứu này tôi mong muốn hình thành một số cách giải quyết bài toán về tán xạ compton, góp phần làm phong phú hơn hệ thống kiến thức về quang học nói riêng và vật lý đại cương nói chung.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tìm hiểu về hiệu ứng compton

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÍ ---------------------- TRƢƠNG THỊ THU HUYỀN TÌM HIỂU VỀ HIỆU ỨNG COMPTON Chuyên ngành: Vật lí đại cƣơng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÍ ---------------------- TRƢƠNG THỊ THU HUYỀN TÌM HIỂU VỀ HIỆU ỨNG COMPTON Chuyên ngành: Vật lí đại cƣơng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: ThS NGUYỄN THỊ THẮM HÀ NỘI, 2018
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý của trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trƣờng và tạo điều kiện cho em đƣợc làm khóa luận. Hơn thế nữa, em xin gửi lời cảm ơn đến cô giáo Th.s. Nguyễn Thị Thắm - ngƣời đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn em nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Trong quá trình em nghiên cứu làm khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn hạn chế. Kính mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để khóa luận của em đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trƣơng Thị Thu Huyền
LỜI CAM ĐOAN Khóa luận với đề tài “Tìm hiểu về hiệu ứng compton” là kết quả của cá nhân em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2. Trong quá trình làm khóa luận em có tham khảo một số tài liệu đƣợc ghi trong phần “Tài liệu tham khảo”. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em, không trùng lặp với kết quả của các tác giả khác. Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trƣơng Thị Thu Huyền
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................ 2 4. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 2 6. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 2 7. Cấu trúc khóa luận .................................................................................... 2 CHƢƠNG 1: THÍ NGHIỆM COMPTON ........................................................ 3 1.1. Khảo sát thực nghiệm............................................................................. 3 1.2 Giải thích thí nghiệm............................................................................... 5 1.2.1 Sự hạn chế của mô hình sóng ánh sáng ......................................... 5 1.2.2 Giải thích định tính thí nghiệm ...................................................... 6 1.2.3 Giải thích định lượng thí nghiệm ................................................... 6 1.3 Hiệu ứng compton ngƣợc...................................................................... 12 1.4 Sự khác biệt giữa hiệu ứng compton và hiệu ứng quang điện. ............. 12 1.5 Ý nghĩa của hiệu ứng compton ............................................................ 13 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG COMPTON .......... 14 2.1 Công nghệ dò tìm bom mìn................................................................... 14 2.2 Trong thiên văn học .............................................................................. 15 2.3 Xung điện từ EMP ................................................................................ 17 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG ............................................ 20 3.1 Bài tập có lời giải .................................................................................. 20 3.2 Bài tập vận dụng.................................................................................... 29 KÊT LUẬN ..................................................................................................... 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 32
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhƣ chúng ta đã biết, hiện tƣợng giao thoa, nhiễu xạ và phân cực của ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng nhƣng quang học sóng đã bế tắc trong việc giải thích về bức xạ của vật đen và hiệu ứng quang điện. Để giải thích những hiện tƣợng trên đòi hỏi 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 lƣợng tử năng lƣợng”. Đến năm 1905, Einstein dựa trên thuyết lƣợng tử năng lƣợng của Plank đã làm sống lại mô hình hạt của ánh sáng bằng “Thuyết lƣợng tử ánh sáng”. Trong đó, hiệu ứng quang điện là một hiệu ứng nổi bật thể hiện tính chất hạt của ánh sáng, ngoài ra còn một hiệu ứng khác cũng thể hiện tính chất hạt của ánh sáng mà các tài liệu chƣa nghiên cứu sâu đó là hiệu ứng compton, hiệu ứng này đã khẳng định bằng thực nghiệm lí thuyết cho rằng bức xạ điện từ tạo nên bởi các photon. Chính vì thế, khi nghiên cứu về hiệu ứng compton sẽ giúp ta có những hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất hạt của ánh sáng. Đặc biệt, đối với một sinh viên sƣ phạm vật lý sẽ giúp ích rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và giảng dạy sau này. Không những thế, hiệu ứng compton là một hiệu ứng rất quan trọng, có vai trò lớn đối với lịch sử phát triển vật lý cận đại và hiện đại, có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu thực tiễn. Vì những lí do trên, tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về hiệu ứng compton” nhằm hiểu sâu hơn về hiệu ứng và ứng dụng của nó trong đời sống. Đồng thời, từ đề tài nghiên cứu này tôi mong muốn hình thành một số cách giải quyết bài toán về tán xạ compton, góp phần làm phong phú hơn hệ thống kiến thức về quang học nói riêng và vật lý đại cƣơng nói chung. 2. Mục đích nghiên cứu - Nắm đƣợc các kiến thức cơ bản về hiệu ứng compton. 1
- Đƣa ra phƣơng pháp giải một số bài tập cơ bản, đặc trƣng nhất cho hiệu ứng compton. - Nắm đƣợc các ứng dụng quan trọng của hiệu ứng compton. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu thí nghiệm tán xạ compton, giải thích thí nghiệm, xây dựng công thức. - Đƣa một số bài tập cơ bản, đặc trƣng nhằm hiểu rõ hơn bản chất và những vấn đề liên quan đến hiệu ứng compton. - Nêu ra một số ứng dụng quan trọng của hiệu ứng compton. 4. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Hiệu ứng compton, các ứng dụng của hiệu ứng compton trong thực tiễn. - Phạm vi nghiên cứu: hiệu ứng compton. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hoàn thiện một cách có hệ thống và chi tiết hơn về hiệu ứng compton. Do đó, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Pháp pháp tra cứu tài liệu. - Phƣơng pháp tổng hợp, phân loại và giải các bài tập cơ bản. 7. Cấu trúc khóa luận - Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, khóa luận bao gồm các nội dung sau: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: THÍ NGHIỆM COMPTON. CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG COMPTON. CHƢƠNG 3: MỘT SỐ BÀI TẬP VẬN DỤNG. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 2
CHƢƠNG 1: THÍ NGHIỆM COMPTON 1.1 Khảo sát thực nghiệm Trong những ngày đầu tiên của ông tại Pricenton, Compton (tên đầy đủ là Arthur Holly Compton, sinh năm 1892 – mất năm 1962, nhà vật lý ngƣời Mỹ) đã sớm bắt đầu nghiên cứu trong lĩnh vực X- quang. Ông đã phát triển một lý thuyết về cƣờng độ của sự phản chiếu X- quang từ tinh thể nhƣ một phƣơng tiện nghiên cứu sự sắp xếp của các điện tử và nguyên tử. Năm 1918, ông đã bắt đầu một nghiên cứu về tán xạ X-ray. Điều này dẫn đến năm 1923, ông khám phá ra hiện tƣợng tăng bƣớc sóng của tia X do tán xạ của bức xạ điện tử tự do, ngụ ý rằng các lƣợng tử phân tán có năng lƣợng ít hơn lƣợng tử của chùm tia ban đầu. Hiệu ứng này, ngày nay gọi là hiệu ứng compton, minh họa rõ nhất 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 cách hiển thị sự tồn tại của electron giật Compton. Đối với khám phá này, Compton đã đƣợc trao giải Nobel Vật lý năm 1927 cùng với Wilson, ngƣời đã nhận đƣợc giải thƣởng cho khám phá của ông về phƣơng pháp buồng mây. Năm 1923, Compton đã tiến hành thí nghiệm tán xạ của tia X trên một khối than chì. Cho một chùm tia X đơn sắc có bƣớc sóng λ đi qua khe chuẩn trực. Ra khỏi khe chùm tia hẹp đƣợc coi là song song và đƣợc rọi vào một bia graphit T. Một phần chùm tia đi xuyên qua bia, phần còn lại bị tán xạ bởi bia graphit T. Phần tia X tán xạ đƣợc nghiên cứu nhờ máy thu, nhƣ hình 1.1. Ông tiến hành đo cƣờng độ của tia X tán xạ từ bia trong một số hƣớng chọn lọc nhƣ một hàm của bƣớc sóng. 3
Hình 1.1: Dụng cụ để nghiên cứu hiệu ứng compton Kết quả thí nghiệm đƣợc biểu thị trên hình 1.2 dƣới đây: I   00 0 1 2 3 4 10 2 A0  I   450  0 1 2 3 4 10 2 A0  I    900 0 1 2 3 4 10 2 A0  Hình 1.2: Kết quả của hiệu ứng compton với các giá trị khác nhau của góc tán xạ  4
Từ hình 1.2 chúng ta thấy khi khảo sát ứng với các góc  khác nhau, mặc dù chùm tia tới chỉ chứa một bƣớc sóng duy nhất, nhƣng các tia X tán xạ lại có các cực đại cƣờng độ ở hai giá trị của bƣớc sóng. Một cực đại với bƣớc sóng λ của tia tới, còn cực đại thứ hai có bƣớc sóng λ’ dài hơn λ một lƣợng Δλ. Δλ đƣợc gọi là độ dịch compton thay đổi tùy theo góc mà ta quan sát các tia X tán xạ. Thực nghiệm xác định đƣợc mối liên hệ giữa độ dịch compton và góc tán xạ theo công thức sau:     '    c (1  cos )  2c sin 2 2 Trong đó: c  0,0243 Å gọi là bước sóng compton. Cũng từ thực nghiệm, có thể rút ra các quy luật sau đây:  Những chất chứa nguyên tử nhẹ tán xạ mạnh tia X, còn những chất chứa nguyên tử nặng tán xạ yếu tia X.  Khi tăng góc tán xạ thì cƣờng độ tán xạ compton cũng tăng.  Độ tăng bƣớc sóng  tăng khi góc tán xạ tăng.  Nếu cùng một góc tán xạ,  đối với mọi chất sẽ nhƣ nhau. 1.2 Giải thích thí nghiệm 1.2.1 Sự hạn chế của mô hình sóng ánh sáng Cực đại tán xạ có bƣớc sóng λ’ không thể nào hiểu đƣợc nếu chúng ta xem chùm tia X tới nhƣ một sóng. Theo bức tranh này thì sóng tới với tần số f sẽ làm cho các electron trong bia dao động với cùng tần số đó. Các electron dao động này cũng giống nhƣ các điện tích chạy tới chạy lui trong một anten phát nhỏ - sẽ bức xạ với cùng tần số đó. Nhƣ vậy, lẽ ra chùm tia tán xạ cũng phải chỉ có một tần số và chỉ có một bƣớc sóng nhƣ chùm tia tới. Nhƣng thực nghiệm ở trên cho ta thấy tồn tại hai giá trị của bƣớc sóng. 5
1.2.2 Giải thích định tính thí nghiệm Để giải thích hiệu ứng compton, Compton đƣa ra giả thuyết rằng :  Photon có tính chất hạt (theo thuyết lƣợng tử ánh sáng).  Khi photon va chạm với các hạt khác nhau thì nó tuân theo quy luật va chạm đàn hồi.  Photon có tính chất hạt nên nó mang theo năng lƣợng và xung lƣợng. Cụ thể, giả sử có một chùm tia tới đƣợc xem nhƣ dòng các photon có h năng lƣợng E  h và xung lƣợng p  đến va chạm với một electron đang  đứng yên của nguyên tử chất tán xạ thì một phần năng lƣợng của photon tới đã truyền cho electron làm cho electron này bứt ra khỏi nguyên tử. Vì vậy, sau tán xạ, photon tán xạ có năng lƣợng thấp hơn năng lƣợng của photon tới. Do đó, tần số của photon tán xạ sẽ nhỏ hơn tần số của photon tới. Và tƣơng ứng, bƣớc sóng của photon tán xạ là  ' lớn hơn bƣớc sóng của photon tới là  đúng nhƣ ta quan sát. Nhƣ vậy, chúng ta đã giải thích đƣợc một cách định tính độ dịch compton. 1.2.3 Giải thích định lượng thí nghiệm Trƣớc hết ta tìm xung lƣợng của 1 photon. Xuất phát từ giả thuyết lƣợng tử của Planck về sự phụ thuộc của năng lƣợng của photon vào tần số của nó. E  h (1.1) Trong đó: h là hằng số plank ( h  6,625.1034 J.s )  là tần số của ánh sáng Lại dùng hệ thức về sự tƣơng đƣơng giữa khối lƣợng và năng lƣợng của Einstein trong thuyết tƣơng đối hẹp: E  mc 2 (1.2) 6
Từ (1.1) và (1.2) ta có thể tìm khối lƣợng động của photon: h mphoton  (1.3) c2 Để tìm xung lƣợng của một photon, ta chỉ cần nhân khối lƣợng photon với vận tốc chuyển động của nó: h pphoton  mphoton .c  (1.4) c Sử dụng hệ thức c   thay vào (1.4) ta đƣợc: h pphoton  (1.5)  Trong đó:  là bƣớc sóng ánh sáng. Giả thiết, có một photon đến va chạm với một electron tự do đang đứng yên. Coi va chạm giữa photon và electron là va chạm hoàn toàn đàn hồi. ' Gọi p photon và p photon lần lƣợt là xung lƣợng của photon trƣớc và sau va chạm. ' p electron và p electron lần lƣợt là xung lƣợng của electron trƣớc và sau va chạm ( pelectron  0 vì ban đầu electron đứng yên). Theo định luật bảo toàn động lƣợng, vì va chạm giữa các photon tới và các electron trong bia graphit có thể coi nhƣ là một va chạm hoàn toàn đàn hồi nên động lƣợng đƣợc bảo toàn, tổng xung lƣợng photon và xung lƣợng electron sau tán xạ bằng xung lƣợng của photon tới ban đầu: ' ' p photon  p photon  p electron 7
Electron sau va chạm Electron   Photon Photon tán xạ Hình 1.3: Xung lƣợng trong tán xạ Compton của một photon rơnghen trên một electron tự do p’2 electron = p2photon + p’2 photon – 2pphoton.p’photon.cos  (1.6) Thay xung lƣợng photon theo (1.5) vào (1.6) ta đƣợc: h2 h2 h h p '2  + -2 . cos  (1.7) electron 2  '2  ' Theo định luật bảo toàn năng lƣợng: E p  Ee  E p'  Ee'  E 'e  E p  Ee  E ' p (1.8) Đã biết rằng năng lƣợng photon đƣợc tính theo giả thuyết Planck, trong đó tần số sau va chạm là  ' . Năng lƣợng của electron nghỉ đƣợc tính theo công thức biểu diễn sự tƣơng đƣơng khối lƣợng – năng lƣợng (1.2). Vậy năng lƣợng Ee' của electron sau va chạm là: E 'e  h  mec 2  h ' (1.9) 8
Theo thuyết tƣơng đối hẹp năng lƣợng và xung lƣợng của một hạt tùy ý đƣợc biểu diễn qua công thức quan hệ xung và năng lƣợng: E p 2c 2  m 2c 4 (1.10) Giải (1.10) theo m2c 4 cho electron sau tán xạ, ta thu đƣợc: E '2e  pe'2 .c2  m2e .c 4 (1.11) Thay (1.8) và (1.6) vào (1.11), ta đƣợc: ( E p  Ee  E p' )2  ( p photon 2  p'photon 2  2 p photon . p'photon .cos ).c2  me2 .c 4 (1.12) Kết hợp phƣơng trình trên với (1.9) và (1.7) ta đƣợc: h2 h2 h h (h  me .c  h ) – ( 2 + '2 - 2 2 ' 2 . cos  ).c2 = me2 .c 4 (1.13)    ' Phá ngoặc, ta thu đƣợc: me2 .c4  h2 2  2hmec 2  2h2 '  me2c 4  2mec 2h '  h2 '2 h 2c 2 h 2c 2 h 2c 2 (1.14) - - +2 .cos  2  2   Sau khi trừ me2 .c 4 ở cả hai vế ta có: 0  h2 2  2h mec2  2h2 '  2mec 2h '  h2 '2 (1.15) h 2c 2 h 2c 2 h 2c 2 - - +2 .cos  2  2   Sử dụng các công thức về tốc độ truyền sóng: c c  và  '  (1.16)  ' Thay (1.16) vào (1.15), ta đƣợc: 0  h2 2  2h mec2  2h2 '  2mec 2h '  h2 '2 h2 2  h2 '2  2h2 'cos  0  2h mec 2  2h2 '  2mec 2h ' 2h2 'cos (1.17) 9
Chia cả hai vế của (1.17) cho 2h : 0  mec2  h '  mec 2 '  h 'cos (1.18) 0  mec 2 (   ' )  h ' (1  cos ) (1.19) Hay: mec 2 (   ' )  h ' (1  cos ) (1.20) Chia 2 vế của (1.20) cho mec 2 ' , ta đƣợc:    ' h(1  cos )  (1.21)  ' mec 2 Viết vế trái của phƣơng trình trên thành 2 phân số: 1 1 h   (1  cos  ) (1.22)  '  mec 2 Nhân cả 2 vế của (1.22) với c ta đƣợc: c c h   (1  cos  ) (1.23) '  mec h   '   (1  cos ) (1.24) mec Công thức (1.24) hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm. Hiệu số bƣớc sóng Δλ = λ’ – λ trong phƣơng trình (1.24) chính là sự thay đổi bƣớc sóng gây ra bởi tán xạ của photon (của tia Rơnghen) trên các electron. Hiệu số này đƣợc gọi là độ dịch Compton. Nhƣ chúng ta dễ dàng nhận thấy, sự thay đổi bƣớc sóng của bức xạ điện từ chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ  mà thôi, bởi vì tất cả phần còn lại trong (1.24) đều là hằng số. Từ công thức (1.24) ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc của độ dịch compton  vào góc tán xạ  :  Nếu   00    0 , nghĩa là sự tán xạ xảy ra theo phƣơng của chùm tia tới không làm thay đổi bƣớc sóng. 10
2h  Nếu 0    1800  0    mec 2h  Nếu   1800  max  , nghĩa là photon thì tán xạ theo phƣơng mec ngƣợc với phƣơng của chùm tia tới, electron bứt ra chuyển động theo phƣơng của chùm tia tới. h  Đặc biệt, nếu   900     c . c đƣợc gọi là bước sóng mec compton và đƣợc tính bằng: h 6,625.1034 c = = 31 8 = 2,424.10-12 m (1.25) mec 9,1.10 .3,0.10 Tất cả những tiên đoán lý thuyết này đều hoàn toàn trùng khớp với các quan sát thực nghiệm của Compton. Vì sao hiệu ứng Compton không xuất hiện ở ánh sáng 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 bƣớc sóng dài hơn, tuy nhiên, trong thực tế điều đó đã không xảy ra. Giá trị c  2.424.1012 m rất nhỏ so với bƣớc sóng của ánh sáng khả kiến (380.10-9m đến 760.10-9m) vì thế nếu dùng ánh sáng nhìn thấy để làm thí nghiệm Compton ta sẽ không nhận biết đƣợc độ dịch chuyển compton. Tức là không quan sát đƣợc hiệu ứng Compton. Ngƣợc lại nếu dùng bƣớc sóng của tia X trong khoảng (10-9m đến 10-12m) thì độ dịch chuyển compton trong trƣờng hợp này khá lớn nên có thể quan sát đƣợc. 11
1.3 Hiệu ứng compton ngƣợc Nếu hiệu ứng compton là hiệu ứng mà bƣớc sóng của photon tán xạ lớn hơn bƣớc sóng của photon tới trong va chạm giữa photon có năng lƣợng lớn và electron tự do, thì ngƣợc lại, trong quá trình va chạm giữa photon và electron có năng lƣợng cao thì electron này truyền năng lƣợng cho photon làm cho bƣớc sóng của photon tán xạ nhỏ hơn bƣớc sóng của photon tới đƣợc gọi là hiệu ứng compton ngược. Hiệu ứng compton ngƣợc chỉ có thể thấy rõ khi electron chuyển động với vận tốc tƣơng đối tính – vận tốc vào cỡ vận tốc ánh sáng. Lúc này, photon tới có năng lƣợng thấp nhƣng photon tán xạ luôn vào cỡ tia X – photon có năng lƣợng lớn. 1.4 Sự khác biệt giữa hiệu ứng compton và hiệu ứng quang điện Hiệu ứng compton về cơ bản cũng giống nhƣ hiệu ứng quang điện, có bản chất là sự va chạm giữa photon và electron. Tuy nhiên, giữa hai hiệu ứng này vẫn có sự khác biệt sau đây: Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng compton Photon tới có năng lƣợng thấp (cỡ Photon tới có năng lƣợng cao (rất lớn năng lƣợng liên kết của electron với so với năng lƣợng liên kết của mạng tinh thể) hay nói cách khác là electron với mạng tinh thể) hay bƣớc bƣớc sóng của photon tới vào cỡ sóng của photon tới vào cỡ tia X. vùng ánh sáng khả kiến và tử ngoại. Photon tƣơng tác với electron ở lớp Photon tƣơng tác với electron ở lớp trong (electron liên kết mạnh trong ngoài cùng (electron liên kết yếu mạng tinh thể). trong mạng tinh thể). Tất cả năng lƣợng của photon tới Chỉ có một phần năng lƣợng của đƣợc truyền cho electron, photon bị photon tới truyền cho electron, phần hấp thụ hoàn toàn và biến mất. còn lại chuyển hóa thành năng lƣợng của photon tán xạ. 12
1.5 Ý nghĩa của hiệu ứng compton Tán xạ compton là minh chứng chứng tỏ sự tồn tại của các photon vì năng lƣợng cũng nhƣ xung lƣợng của nó hiện diện trong tình huống thực nghiệm. Không những thế nó còn cho thấy thuyết photon không chỉ áp dụng cho vùng bức xạ nhìn thấy và bức xạ tử ngoại (phạm vi của hiệu ứng quang điện) mà còn áp dụng đƣợc cho cả vùng bức xạ cực ngắn – các tia X. Do đó, tán xạ compton có tầm quan trọng lớn đối với lịch sử phát triển vật lý cận đại và hiện đại. Ngoài hiệu ứng nổi bật thể hiện tính chất hạt của ánh sáng là hiệu ứng quang điện thì hiệu ứng compton, một lần nữa, khẳng định chắc chắn tính đúng đắn của lí thuyết này. Với những ứng dụng của hiệu ứng compton vào thực tiễn và trong các lĩnh vực khác nhau của vật lý, dù đã đƣợc phát hiện từ năm 1923, nhƣng hiệu ứng compton vẫn là hiệu ứng tiềm năng để khai thác các ứng dụng của nó. 13
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HIỆU ỨNG COMPTON 2.1 Công nghệ dò tìm bom mìn Công nghệ tán xạ phản hồi tia X đƣợc phát triển trên nền tảng hiệu ứng tán xạ Compton. Hình 2.1: Kết cấu máy dò mìn Cụ thể khi những hạt photon của tia X có năng lƣợng trong khoảng 0,5MeV đến 3,5MeV tác động với điện tử trong một vật liệu bất kỳ đƣờng đi của tia photon khi gặp môi trƣờng không đồng nhất sẽ bị thay đổi. Lòng đất thông thƣờng 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 dƣới dạng ảnh 2 chiều. Công nghệ tán xạ phản hồi tia X là phƣơng pháp chụp ảnh trực tiếp bởi tín hiệu tán xạ tƣơng ứng với mật độ vật liệu. Kết cấu máy dò gồm: Bộ phận phát tia X; bộ phận thu nhận tín hiệu năng lƣợng tia X tán xạ đa kênh. Những ƣu điểm chính của công nghệ tán xạ phản hồi tia X là: Xác định đƣợc hình dạng, độ sâu vật thể; phát hiện đƣợc các loại vật nổ phi kim loại; 14
phát hiện đƣợc vật nổ trong các điều kiện địa chất, thổ nhƣỡng 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. 2.2 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 lƣợng cao. Tia gamma là bức xạ điện từ với bƣớc sóng ngắn hơn cả tia X. Vì tia gamma không thể thâm nhập bầu khí quyển của Trái Đất, phải đƣa kính thiên văn gamma vào không gian. Ở vài hiện tƣợng va chạm trong vũ trụ, nhƣ khi các vì sao đập vào nhau hoặc vào lỗ đen, hiện tƣợng này sẽ phóng ra không gian những tia gamma có năng lƣợng cao. Hình 2.2: Kính thiên văn gamma Compton Những bức ảnh do kính thiên văn chụp đƣợc cung cấp cho con ngƣời cái nhìn về sự bùng nổ các tia gamma trong vũ trụ. Dựa vào đó, các nhà khoa học đã lập bản đồ phân bố mật độ năng lƣợng của dải thiên hà. 15