應(yīng)用蒙特卡羅模擬測定康普頓波長

劉什敏

(伊犁師范學院物理學院，新疆伊寧 835000)

應(yīng)用蒙特卡羅模擬測定康普頓波長

劉什敏

(伊犁師范學院物理學院，新疆伊寧 835000)

運用蒙特卡羅程序(MCNP－4C)，選擇入射光波長為λ0=0.070 78 nm，4Be為散射物質(zhì)，模擬了康普頓效應(yīng)的實驗過程.模擬數(shù)據(jù)反映了康普頓效應(yīng)的特點，得到了康普頓波長，模擬結(jié)果與理論值符合得很好.

蒙特卡羅;康普頓效應(yīng);康普頓波長;散射物質(zhì);模擬

0 引言

1920年，美國物理學家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線.這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng).

圖1是康普頓效應(yīng)實驗裝置示意圖.由單色X射線源R發(fā)出波長為λ0的X射線，準直后垂直入射到散射物質(zhì)C上，散射光中有波長λ＞λ0的成分，用攝譜儀S可探測到不同散射角θ處散射線的強度.康普頓利用光子理論，成功地解釋了康普頓效應(yīng).將X射線看成是由大量光子組成的，X射線被物質(zhì)散射實質(zhì)上是光子與物質(zhì)中的“自由”電子發(fā)生彈性碰撞，光子將一部分能量交給電子，使得散射光子能量減少，波長增加.根據(jù)碰撞過程中滿足動量守恒和能量守恒，從理論上導出散射光波長改變量為

康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)進一步打消了人們對光量子假說的懷疑，從而證實了光的波粒二象性，為20世紀初的物理學革命奠定了堅實的實驗基礎(chǔ).本文通過MCNP－4C程序［2-3］模擬康普頓效應(yīng)，驗證了公式(1)，并得到康普頓波長，與理論值相符.

1 模擬計算

圖2為模擬模型示意圖，用波長為λ0=0.070 78 nm、能量E0=h=0.017 55 MeV的鉬的特征倫琴射線垂直入射到厚度為2 cm的散射物質(zhì)4Be上.設(shè)置一個半徑為20 cm大圓面S1，用F1計數(shù)卡記錄穿過S1面的散射粒子數(shù).在θ方向設(shè)置一個半徑為1 cm的小圓S，采用FS卡用S將大圓S1割為兩部分，其內(nèi)部計數(shù)就是在θ方向的散射粒子數(shù)，用E卡將0～0.18 MeV能量均勻分成1 000份，就可得到任意θ方向散射線的粒子數(shù)隨能量的分布，進而轉(zhuǎn)化為強度隨波長的分布.程序運行粒子數(shù)為109個，誤差小于5%.

圖3 散射光的光強分布Fig.3The intensity distribution of scattering light

圖4 康普頓散射與角度的關(guān)系Fig.4Relation of Compton scattering and angle

2 結(jié)論

本文采用MCNP－4C程序，很好地模擬康普頓效應(yīng)，反映了康普頓效應(yīng)的實驗規(guī)律，并得到了康普頓波長.可以看出蒙特卡羅方法的可行性和可靠性.用它可以模擬實驗甚至代替實驗.

［1］馬文蔚，解希順，周雨青.物理學［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］Kirk.User’s Guide to CCC-700，MCNP－4C［Z］.Los Alamos National Laboratory，1995.

［3］許淑艷.蒙特卡羅方法在實驗核物理中的應(yīng)用［M］.北京:原子能出版，1996.

Measurement of Compton Wave Length by Simulation of Monte Carlo

LIU Shen-min

(College of Physics，Yili Normal University，Yini 835000，China)

The experiment process of Compton Effect is simulated by a Monte Carlo program(MCNP－4C)，with an incident ray，wave length λ0=0.070 78 nm and scattering material of4Beselected.The result reflects features of Compton Effect and gets Compton wave length，which is in accordance with the theory.

Monte Carlo;Compton Effect;Compton wave length;scattering material;simulation

O571.323

A

1007－0834(2012)02－0033－02

10.3969/j.issn.1007－0834.2012.02.010

2012－02－21

劉什敏(1982—)，女，河南商丘人，伊犁師范學院物理學院講師.