Hiệu ứng Compton

TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM TÂY NINH
KHOA TỰ NHIÊN
LỚP LÝ-KTCN38

HIỆU ỨNG COMPTON

Chứng minh:

Độ biến đổi bước sóng

 

N

H

Ó

M

1


I. THÍ NGHIỆM CỦA COMPTON.
Năm 1923 Arthur Holly Compton - một chuyên gia
về tia x của truờng đại học Washington - đã thực
hiện một thí nghiệm và phát hiện ra hiệu ứng đặc
biệt. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng compton (hay
còn gọi là tán xạ compton) và mang lại giải Nobel
về vật lí vào năm 1927 cho Compton.




 

Chiếu chùm tia X có bước sóng vào một khối chất Graphite, chùm tia X bị tán xạ 1 phần, được thu bằng một
máy quang phổ tia X – detector. Đo cả cường độ lẫn bước sóng của tia X dưới các góc khac nhau. Thu được bước
sóng của chìm tia tán xạ có bước sóng lớn hơn. >λ.



Vì vậy mà năng lượng chum tia X tán xạ bé hơn so với chum tia tới.

Electron tán xạ

Electron nằm yên

 

Tia X tới

 
 

λ

Graphite

 

Bức xạ photon



thay đổi bước sóng của chum tia X được gọi là “dịch chuyển Compton” hay độ biến đổi
 Sự
 

bước sóng :



là bước sóng Compton

 

 Để giải thích hiệu ứng Compton:
Người ta đưa ra giả thuyết rằng photon có tính chất hạt.
Khi photon va chạm với các hạt khác thì nó tuân theo quy luật va chạm đàn hồi giống như
hai viên bi va phạm với nhau.
Photon có tính chất hạt nên nó mang theo năng lượng và xung lượng.


II. Thuyết photon về tương tác giữa bức xạ điện từ và
electron.

Electron tán xạ

Electron nằm yên

 Năng lượng E

 

Năng lượng nghỉ

 

Động lượng

Tia X tới

 
 

λ

Graphite

 Động lượng
Năng lượng

 
Bức xạ photon

Photon và Electron

 Động lượng
Năng lượng

II. Thuyết photon về tương tác giữa bức xạ điện từ và electron.

Ta có bảng tóm tắt sau:

Năng lượng

Động lượng

Hạt
Trước va chạm

Sau va chạm

Trước va chạm

Photon

Electron

0

Sau va chạm


Năng lượng

Động lượng

Hạt

Trước va chạm

Sau va chạm

Trước va chạm

Sau va chạm

Photon

Electron

0

 

Trong thực tế, tương tác này xảy ra trong mạng tinh thể nên còn có yếu tố ảnh hưởng từ mạng tinh thể : Công thoát A mà
mạng tinh thể nhận được và động lượng “giật”

của mạng tinh thể. Lúc này, áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và bảo

toàn động lượng, ta có hệ phương trình:

Hệ phương trình này giúp ta giải thích được hai hiệu ứng mà mô hình sóng không giải thích được : Hiệu ứng quan điện và hiệu
ứng compton.


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton

 

Đối với các bức xạ điện từ có bước sóng cỡ tia X, năng lượng của các photon tới rất lớn so với công thoát nên xem như
ảnh hưởng của mạng tinh thể và hạt nhân lên electron là không đáng kể.

Lúc này, ta xem tương tác giữa bức xạ điện từ và electron như va chạm của photon và một electron tự do.

Hệ phương trình trở thành:
(1)


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton
 

Năng lượng photon ứng với bức xạ điện từ cỡ tia X rất lớn so với năng lượng nghỉ của elelctron, cho nên
chúng ta không thể sử dụng cơ học cổ điển để khảo sát sự va chạm giữa photon và electron. Do đó,
chúng ta phải sử dụng cơ học tương đối tính để khảo sát hệ phương trình :

Từ hệ phương trình (1), ta có:

 


 

 

 


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton

 


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton
 

Đối với photon và electron, trong co học tương đối tính ta có hệ thức sau

Và

Thay (3) và (4) vào (2):


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton
 


III. Phân tích định lượng về hiệu ứng compton
 

Thay

chính bằng bước sóng Compton


III. Kết luận:
Hiệu ứng Compton thực chất là tương tác giữa photon và các electron trong mạng tinh thể. Hiệu ứng Compton về cơ
bản cũng giống như hiệu ứng quang điện, có bản chất là sự va chạm giữa photon và electron.
Tuy nhiên, sự khác biệt cơ bản giữa hiệu ứng Compton và hiệu ứng quang điện chính là cỡ bước sóng của bức xạ tới:
với hiệu ứng quang điện thì vào cỡ vùng nhìn thấy và tử ngoại còn với hiệu ứng Compton là cỡ tia X. Trong thực tế, cả hai

hiệu ứng trên, cùng với sự chuyển mức năng lượng của các nguyên tử, xảy ra đồng thời. Tuy nhiên, tuỳ vào cỡ bước sóng
của bức xạ tới mà hiệu ứng nào xảy ra trội hơn.
Nếu như hiệu ứng quang điện(1887) là khởi nguồn để Albert Einstein đưa ra giả thuyết photon(1905) thì hiệu ứng
Compton (1923) là ‘bằng chứng” vĩ đại chứng tỏ sự tồn tại của photon. Về lịch sử, hiệu ứng Compton là viên gạch cuối
cùng nhằm “xây chắc” lí thuyết của Einstein về photon. Do đó, hiệu ứng Compton có tầm quan trọng lớ đối với lịch sử
phát triển vật lí cận đại và hiện đại.


Electron tán xạ

 
Electron nằm yên

 

 

Tia X tới

 
 

λ

Graphite

 
Bức xạ photon

 

 


Một ứng dụng của tán xạ photon -Quan sát và phát hiện lỗ đen(Black Hole)

Để quan sát và phát hiện lổ đen, các nhà thiên văn sử dụng rất nhiều hiệu ứng khác nhau, trong đó
có hiệu ứng Compton – hay chính xác hơn là hiệu ứng Compton ngược .
Đối với lỗ đen hình thành từ một hệ sao đôi, khi một ngôi sao trở thành lỗ đen thì nó sẽ hút vật chất
của ngôi sao đồng hành với nó. Trong quá trình này, vật chất – trong đó có các elelctron – được gia tốc
với những vận tốc rất lớn. Các electron lúc này có thể được gia tốc đến ngưỡng tương đối tính. Lúc này,
chỉ cần những bức xạ điện từ năng lượng thấp tương tác với các electron này thì sẽ phát ra các bức xạ
điện từ tán xạ có năng lượng cao – cỡ tia X. Dựa vào việc quan sát các bức xạ tia X này mà các nhà
thiên văn có thể xác định được ở đâu có khả năng có lỗ đen.


CẢ M ƠN CÁC BẠ N ĐÃ LẮNG NGHE !