挑战杯结题报告 PPT
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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
二、项目研究内容
理论推导
分析实验结果
NaCl和KCl溶液康普顿 散射的影响因素研究
电子结构计算
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
（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：
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
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
康普顿散射的主要应用：
康普顿散射密度测量技术（CSD) 康普顿散射成像技术(CSI) 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
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
（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：Mead A软件
2、计算结果
（1）优化后的水合离子的结构
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
挑战杯结题报告
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
一、项目研究背景 二、项目研究内容 三、项目研究结果 四、总结
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
Hale Waihona Puke Baidu
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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研究提供理论支持。
（1）优化后的Na的水合离子的结构
Na+(H2O)
Na+(H2O)2
Na+(H2O)3
Na+(H2O)4
Na+(H2O)5
Na+(H2O)6
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
（1）优化后的K的水合离子的结构
K+(H2O)
K+(H2O)2
K+(H2O)3
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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。
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
康普顿散射是指当X射线或γ 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
dN0f1f2edd K N()S(q Z ,Z)dV
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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。
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
电子结构的差异
斜率差 异较大
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
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
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
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
Cl-(H2O)2
Cl-(H2O)3
Cl-(H2O)4
Cl-(H2O)5
Cl-(H2O)6
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
（1）优化后的Cl的水合离子的结构
Cl-(H2O)8
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
H2O（H2O）4
Cl-(H2O)6
第十N四a+(届H2“O挑)6 战杯”全国大学生课外学术科K技+(H作2品O)竞6 赛
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
（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
水合K+的等效电荷
水合Cl-的等效电荷
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
三、项目研究结果
质量密度 散射衰 减因子 溶液的浓度
影响
康普顿散射光子数
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
三、项目研究结果
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
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
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
（二）实验上的验证
图1.1 散射角90°时（左）和120°（右）NaCl、KCl 溶液浓度与康普顿散射相对光子数的关系
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
K+(H2O)4
K+(H2O)5
K+(H2O)6
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
K+(H2O)8 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
（1）优化后的Cl的水合离子的结构
Cl-(H2O)
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
二、项目研究内容
理论推导
分析实验结果
NaCl和KCl溶液康普顿 散射的影响因素研究
电子结构计算
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
（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：
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
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
康普顿散射的主要应用：
康普顿散射密度测量技术（CSD) 康普顿散射成像技术(CSI) 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
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
（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：Mead A软件
2、计算结果
（1）优化后的水合离子的结构
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
挑战杯结题报告
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
一、项目研究背景 二、项目研究内容 三、项目研究结果 四、总结
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
Hale Waihona Puke Baidu
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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研究提供理论支持。
（1）优化后的Na的水合离子的结构
Na+(H2O)
Na+(H2O)2
Na+(H2O)3
Na+(H2O)4
Na+(H2O)5
Na+(H2O)6
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
（1）优化后的K的水合离子的结构
K+(H2O)
K+(H2O)2
K+(H2O)3
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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。
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
康普顿散射是指当X射线或γ 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
dN0f1f2edd K N()S(q Z ,Z)dV
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
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。
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
电子结构的差异
斜率差 异较大
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
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
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
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
Cl-(H2O)2
Cl-(H2O)3
Cl-(H2O)4
Cl-(H2O)5
Cl-(H2O)6
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
（1）优化后的Cl的水合离子的结构
Cl-(H2O)8
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
H2O（H2O）4
Cl-(H2O)6
第十N四a+(届H2“O挑)6 战杯”全国大学生课外学术科K技+(H作2品O)竞6 赛
NaCl和KCl溶液康普顿散射的影响因素研究
（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
水合K+的等效电荷
水合Cl-的等效电荷
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
三、项目研究结果
质量密度 散射衰 减因子 溶液的浓度
影响
康普顿散射光子数
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
三、项目研究结果
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
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
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
（二）实验上的验证
图1.1 散射角90°时（左）和120°（右）NaCl、KCl 溶液浓度与康普顿散射相对光子数的关系
第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
K+(H2O)4
K+(H2O)5
K+(H2O)6
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
K+(H2O)8 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
（1）优化后的Cl的水合离子的结构
Cl-(H2O)