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1、NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,重庆师范大学物理与电子工程学院作者：朱令 郭姚 李柳清 田瑶指导老师：罗光 博士 副教授,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,一、项目研究背景,二、项目研究内容,三、项目研究结果,四、总结,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,一、项目研究背景,在材料当中应用康普顿散射来研究其相关性质已逐渐趋于成熟，但目前利用康普顿散射来研究溶液的相关性质还相对较少。本项目对康普顿散射体（NaCl和KCl溶液）的电子结构进行研究，进而得出康普顿散射的微观机理，从而为溶液的康普顿散射的影响因素的
2、研究提供理论支持。,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,康普顿散射是指当X射线或 射线（光子）跟散射体中电子相互作用，失去部分能量而导致波长变长的现象。已有研究表明，康普顿散射相对光子数与电子密度成正比,此公式反映了散射体的康普顿散射的光子数与电子密度间的关系,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,康普顿散射成像技术(CSI),康普顿散射密度测量技术（CSD),康普顿散射的主要应用：,康普顿轮廓分析技术(CSA),康普顿轮廓在物理、化学等基础学科上的相关应用,NaCl和KCl溶
3、液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,二、项目研究内容,理论推导,分析实验结果,电子结构计算,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,（一）理论推导,根据康普顿散射理论，当散射体是电解质溶液时，康普顿散射光子数与浓度的关系为：,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,在确定的体积中康普顿散射光子数与溶液浓度的关系最终可以看成是以下线性关系,图1.1 散射角90时（左）和120（右）NaCl、KCl溶
4、液浓度与康普顿散射相对光子数的关系,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,（二）实验上的验证,实验结果分析,NaCl和KCl溶液浓度与康普顿散射相对光子数确实是成线性关系，验证了上述理论推导的结论的正确性。,仔细比较图，发现二者拟合直线的斜率并不相同。从理论上看，NaCl和KCl溶液的公式完全一样，但是实验结果的斜率有较大差别这是目前理论所不能解释的。,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,（三）电子结构计算分析,1、计算方法,基本理论依据：密度泛函理论（DFT）,计算软件：Me
5、ad A软件,2、计算结果,（1）优化后的水合离子的结构,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,Na+(H2O)6,Na+(H2O)5,Na+(H2O)2,Na+(H2O)4,Na+(H2O),Na+(H2O)3,（1）优化后的Na的水合离子的结构,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,K+(H2O)6,K+(H2O)5,K+(H2O)2,K+(H2O)4,K+(H2O),K+(H2O
6、)3,（1）优化后的K的水合离子的结构,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,K+(H2O)8,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,Cl-(H2O)6,Cl-(H2O)5,Cl-(H2O)2,Cl-(H2O)4,Cl-(H2O),Cl-(H2O)3,（1）优化后的Cl的水合离子的结构,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,Cl-(H2O)8,（1）优化后的Cl的水合离子的结构,H2O（H2O）4,Cl-(H2O)6,Na
7、Cl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,Na+(H2O)6,K+(H2O)6,水合K+的等效电荷,水合Cl-的等效电荷,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,（2）水合离子的等效电荷（单位：e正电子电荷量）,水合Na+的等效电荷,三、项目研究结果,质量密度,散射衰 减因子,溶液的浓度,康普顿散射光子数,影响,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,三、项目研究结果,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全
8、国大学生课外学术科技作品竞赛,三、项目研究结果,2、NaCl溶液和KCl溶液康普顿散射的微观机理：,NaCl溶液，随着浓度的增加,电子数密度增大,溶液浓度与康普顿散射相对光子数之间近似成线性关系,KCl溶液，随着浓度的增加,电子数密度增大,溶液浓度与康普顿散射相对光子数之间近似成线性关系,电子结构的差异,斜率差异较大,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,四、总结,本项目通过对NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究，得到了如下结论:,1、从理论上推导了电解质溶液浓度与康普顿散射光子数的关系。,2、分析已有实验结果，从电子结构角度研
9、究拟合直线斜率差异较大的原因。,3、结合电子结构的计算分析，得出NaCl和KCl溶液康普顿散射 的微观机理，造成二者斜率差异的原因是散射体电子结构差异较大引起的。,4、除质量密度、散射衰减因子以及溶液的浓度外，电子数密度是影响NaCl与KCl溶液康普顿散射光子数的主要因素,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,非常感谢各位评委老师！,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,（二）近似处理,1、溶液密度、电子数密度与浓度x的关系,结论：随着浓度的增加，密度近似为线性增加,注：26.4
10、7%和25.37%分别为NaCl和KCl饱和溶液的浓度,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,2、射线衰减因子和KCl、NaCl溶液浓度的关系,注：这里以一个单位的距离代替了入（出）射光在散射体中经过的距离d,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,3、不同浓度的NaCl、KCl溶液水分子与离子个数之比(以100g溶液计),结论：溶液浓度的升高，NaCl和KCl的水分子个数在减少，水分子数与离子数之比在减少。,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究,第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛,
