Эффект комптона и его элементарная теория. Эффект Комптона: краеугольный камень квантовой механики Изменение длины волны при эффекте комптона

КОМПТОНА ЭФФЕКТ (комптоновское рассеяние), рассеяние жёсткого (коротковолнового) электромагнитного излучения на свободных заряженных частицах, сопровождающееся изменением длины волны рассеянного излучения. Открыт А. Комптоном в 1922 году при рассеянии жёстких рентгеновских лучей в графите, атомные электроны которого, рассеивающие излучение, могут с хорошей точностью рассматриваться как свободные (поскольку частота рентгеновских лучей намного превосходит характерные частоты движения электронов в лёгких атомах). Согласно измерениям Комптона, первоначальная длина волны рентгеновского излучения λ 0 при рассеянии его на угол θ увеличивалась и оказывалась равной

где λ С - постоянная для всех веществ величина, названная комптоновской длиной волны электрона. (Более часто употребляется величина λ С = λ/2π = 3,86159268·10 -11 см) Комптона эффект резко противоречит классической волновой теории света, согласно которой длина волны электромагнитного излучения не должна меняться при его рассеянии на свободных электронах. Поэтому открытие Комптона эффекта явилось одним из важнейших фактов, указавших на двойственную природу света (смотри Корпускулярно-волновой дуализм). Объяснение эффекта, данное Комптоном и, независимо от него, П. Дебаем, заключается в том, что γ-квант с энергией Е= ћω и импульсом р = ћk, сталкиваясь с электроном, передаёт ему в зависимости от угла рассеяния часть своей энергии. (Здесь ћ - постоянная Планка, ω - циклическая частота электромагнитной волны, к - её волновой вектор |к|= ω/с, связанный с длиной волны соотношением λ = 2π|k|.) Согласно законам сохранения энергии и импульса, энергия γ-кванта, рассеянного на покоящемся электроне, равна

что полностью соответствует длине волны рассеянного излучения λ’. При этом комптоновская длина волны электрона выражается через фундаментальные постоянные: массу электрона m е, скорость света с и постоянную Планка ћ: λ С = ћ/m e c. Первым качественным подтверждением такой интерпретации Комптона эффекта было наблюдение в 1923 году Ч. Т. Р. Вильсоном электронов отдачи при облучении воздуха рентгеновскими лучами в изобретённой им камере (камере Вильсона). Подробные количественные исследования Комптона эффекта были проведены Д. В. Скобельцыным, использовавшим в качестве источника γ-квантов высоких энергий радиоактивный препарат RaC (214 Bi), а в качестве детектора - камеру Вильсона, помещённую в магнитное поле. Данные Скобельцына были в дальнейшем использованы для проверки квантовой электродинамики. В результате этой проверки шведский физик О. Клейн, японский физик Й. Нишина и И. Е. Тамм установили, что эффективное сечение Комптона эффекта убывает с ростом энергии γ-квантов (т. е. с уменьшением длины волны электромагнитного излучения), а при длинах волн, значительно превышающих комптоновскую, стремится к пределу σ Т = (8π/3)r e 2 = 0,6652459· 10 -24 см 2 , указанному Дж. Дж. Томсоном на основе волновой теории (r e = е 2 /m е с 2 - классический радиус электрона).

Комптона эффект наблюдается при рассеянии γ-квантов не только на электронах, но и на других частицах с большей массой, однако эффективное сечение при этом на несколько порядков меньше.

В случае когда γ-квант рассеивается не на покоящемся, а на движущемся (в особенности на релятивистском) электроне, возможна передача энергии от электрона γ-кванту. Это явление называют обратным эффектом Комптона.

Комптона эффект, наряду с фотоэффектом и рождением электрон-позитронных пар, является основным механизмом поглощения жёсткого электромагнитного излучения в веществе. Относительная роль Комптона эффекта зависит от атомного номера элемента и энергии γ-квантов. В свинце, например, Комптона эффект даёт основной вклад в потерю фотонов в области энергий 0,5-5 МэВ, в алюминии - в диапазоне 0,05-15 МэВ (рис.). В этой области энергий комптоновское рассеяние используется для детектирования γ-квантов и измерения их энергии.

Важную роль Комптона эффект играет в астрофизике и космологии. Например, он определяет процесс переноса энергии фотонами из центральных областей звёзд (где происходят термоядерные реакции) к их поверхности, т. е. в конечном счете, светимость звёзд и темп их эволюции. Световое давление, вызываемое рассеянием, определяет критическую светимость звёзд, начиная с которой оболочка звезды начинает расширяться.

В ранней расширяющейся Вселенной комптоновское рассеяние поддерживало равновесную температуру между веществом и излучением в горячей плазме из протонов и электронов вплоть до образования из этих частиц атомов водорода. Благодаря этому угловая анизотропия реликтового излучения даёт информацию о первичных флуктуациях вещества, приводящих к образованию крупномасштабной структуры Вселенной. Обратным Комптона эффектом объясняют существование рентгеновской компоненты фонового галактического излучения и γ-излучения некоторых космических источников. При прохождении реликтового излучения через облака горячего газа в далёких галактиках благодаря обратному Комптона эффекту возникают искажения в спектре реликтового излучения, дающие важную информацию о Вселенной (смотри Сюняева - Зельдовича эффект).

Обратный Комптона эффект позволяет получать квазимонохроматические пучки γ-квантов высокой энергии путём рассеяния лазерного излучения на встречном пучке ускоренных ультрарелятивистских электронов. В некоторых случаях обратный Комптона эффект препятствует осуществлению термоядерных реакций синтеза в земных условиях.

Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. М., 1969. Вып. 1-4; Шпольский Э. В. Атомная физика. М., 1986. Т. 1-2.

Эффект Комптона
Compton effect

ЭффектКомптона – рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля - фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией Е = hν = hc/ λ (h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны, λ – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию Е" = hν" (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона λ" увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину

где θ – угол рассеяния фотона, а m e – масса электрона h/m e c = 0.024 Å называется комптоновской длиной волны электрона.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

Эффективное сечение рассеяния γ-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом , пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.
Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии γ-кванта: σ k ~ 1/E γ .

Обратный комптон-эффект

Если электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским Ee >> E γ , то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков γ-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник γ-квантов высокой энергии и плотности называется L aser-E lectron-G amma-S ource (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток γ-квантов с энергиями 400 МэВ).
Энергия рассеянного фотона E γ зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии E γ0 и угла столкновения θ фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между φ направлениями движения первичного и рассеянного фотона

При «лобовом» столкновении

E 0 − полная энергия электрона до взаимодействия, mc 2 − энергия покоя электрона.
Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов γ определяется соотношением

γ = (4E γ /3)·(E e /mc 2).

При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией
E γ = 50–100 кэВ.
Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.

Пo дробнее об обратном комптон-эффектесм.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 7 В

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем суть явления фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

2. Сформулируйте законы Столетова для внешнего фотоэффекта.

3. Дайте определение красной границы фотоэффекта и работы выхода.

4. Выведите рабочую формулу для определения постоянной Планка.

5. Постройте и поясните вольтамперные характеристики наблюдаемые при фотоэффекте.

1. Изучить эффект Комптона с помощью компьютерного эксперимента.

2. Определить зависимость изменения длины волны падающего излучения от угла рассеяния.

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. В 3 т. Т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1982. – 304 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

В конце XVII века почти одновременно возникли две теории о природе света. Ньютон предложил теорию истечения , согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям. Гюйгенс выдвинул волновую теорию , в которой свет рассматривался как упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон, исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн. Опыты показали, что разность Dl=l"-l не зависит от длины волны l падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только величиной угла рассеяния q :

Dl = l " - l = 2l C sin 2 (q /2), (1)

где l" - длина волны рассеянного излучения, l C - комптоновская длина волны, (при рассеянии фотона на электроне l C = 2,426 пм).

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и g-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе электромагнитных волн. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона - результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их в первом приближении можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Рисунок 1

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рисунок 1) - налетающего фотона, обладающего импульсом p g =hn/c и энергией e g =hn, с покоящимся свободным электроном (энергия покоя W 0 = m 0 c 2 ; m 0 -масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона равны p" g =hn"/c и e" g =hn". Электрон, ранее покоившийся, приобретает импульс p e =mv, энергию W=mc 2 и приходит в движение - испытывает отдачу. При каждом таком столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Согласно закону сохранения энергии,

, (2)

Согласно закону сохранения импульса,

k = mv + k ,(3)

Разделив первое уравнение на с , можно привести его к виду:

mc = m 0 c + (k - k’) . (4)

Возведение этого уравнения в квадрат дает:

(mc) 2 =(m 0 c) 2 + ( k) 2 +( k’) 2 - 2( k)( k’)+2m 0 c (k - k’) .(5)

Из рисунка 1 следует, что

Вычтя уравнение (6) из уравнения (5), получим:

m 2 (c 2 –v 2) = m 0 2 c 2 - 2 2 kk’(1-cos )+2m 0 c (k - k’) . (7)

Можно убедиться, что m 2 (c 2 –v 2) = m 0 2 c 2 , и тогда все приходит к равенству:

m 0 c(k - k’) = kk’(1-cos ) . (8)

Умножив равенство на 2 и разделив на m 0 ckk’ и, учтя, что2 /k = l, получим формулу:

. (9)

Выражение (9) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (1). Подстановка в нее значений h, m 0 и с дает комптоновскую длину волны электрона l C =h/(m 0 c)=2,426 пм.

Наличие в составе рассеянного излучения «несмещенной» линии (излучения первоначальной длины волны) можно объяснить следующим образом. При рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому в данном случае длина волны l" рассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны l падающего излучения.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Наличие у света корпускулярных свойств также подтверждается комптоновским рассеянием фотонов. Эффект назван в честь открывшего в 1923 г. это явление американского физика Артура Холли Комптона. Он изучал рассеяние рентгеновских лучей на различных веществах.

Эффект Комптона – изменение частоты (или длины волны) фотонов при их рассеянии. Может наблюдаться при рассеянии на свободных электронах фотонов рентгеновского диапазона или на ядрах при рассеянии гамма-излучения.

Рис. 2.5. Схема установки для исследования эффекта Комптона.

Тр – рентгеновская трубка

Эксперимент Комптона заключался в следующем: он использовал так называемую линию К α в характеристическом рентгеновском спектре молибдена с длиной волны λ 0 = 0.071нм. Такое излучение можно получить при бомбардировке электронами молибденового анода (рис. 2.5), отрезав излучения других длин волн с помощью системы диафрагм и фильтров (S ). Прохождение монохроматического рентгеновского излучения через графитовую мишень (М ) приводит к рассеянию фотонов на некоторые углы φ , то есть к изменению направления распространения фотонов. Измеряя с помощью детектора (Д ) энергию рассеянных под различными углами фотонов, можно определить их длину волны.

Оказалось, что в спектре рассеянного излучения наряду с излучением, совпадающим с падающим, присутствует излучение с меньшей энергией фотонов. При этом различие между длинами волн падающего и рассеянного излучений ∆λ = λ – λ 0 тем больше, чем больше угол, определяющий новое направление движения фотона. То есть на большие углы рассеивались фотоны с бóльшей длиной волны.

Этот эффект не может быть обоснован классической теорией: длина волны света при рассеянии изменяться не должна, т.к. под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому должен излучать под любым углом вторичные волны той же частоты.

Объяснение эффекту Комптона дала квантовая теория света, в рамках которой процесс рассеяния света рассматривается как упругое столкновение фотонов с электронами вещества . В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения в точности как при упругом столкновении двух тел.

Рис. 2.6. Комптоновское рассеяние фотона

Поскольку после взаимодействия релятивистской частицы фотона с электроном последний может получить ультравысокую скорость, закон сохранения энергии необходимо писать в релятивистской форме:

(2.8)

Где hν 0 и hν – энергии соответственно падающего и рассеянного фотонов, mc 2 – релятивистская энергия покоя электрона – энергия электрона до столкновения, E e – энергия электрона после столкновения с фотоном. Закон сохранения импульса имеет вид:

(2.9)

где p 0 и p – импульсы фотона до и после столкновения, p e – импульс электрона после столкновения с фотоном (до столкновения импульс электрона равен нулю).

Возведем в квадрат выражение (2.30) и помножим на с 2 :

Воспользуемся формулами (2.5) и выразим импульсы фотонов через их частоты: (2.11)

Учитывая, что энергия релятивистского электрона определяется формулой:

(2.12)

и используя закон сохранения энергии (2.8), получим:

Возведем в квадрат выражение (2.13):

Сравним формулы (2.11) и (2.14) и проведем простейшие преобразования:

(2.16)

Частота и длина волны связаны соотношением ν =с/λ , поэтому формулу (2.16) можно переписать в виде: (2.17)

Разность длин волн λ – λ 0 является очень малой величиной, поэтому комптоновское изменение длины волны излучения заметно лишь при малых абсолютных значениях длины волны, то есть эффект наблюдается только для рентгеновского или гамма-излучения.

Длина волны рассеянного фотона, как показывает эксперимент, не зависит от химического состава вещества, она определяется только углом θ , на который рассеивается фотон. Это легко объяснить, если учесть, что рассеяние фотонов происходит не на ядрах, а на электронах, которые в любом веществе идентичны.

Величина h/mc в формуле (2.17) называется комптоновской длиной волны и для электрона равна λ c = 2.43·10 –12 м.

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Комптон, исследуя рассеяние монохроматического ренттеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение.

Опыты показали, что разность Δλ=λ΄-λ не зависит от длины волны λ падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только углом рассеяния θ :

Δλ=λ΄-λ = 2λ с sin 2 , (32.9)

где λ΄ - длина волны рассеянного излучения, λ с - комптоновская длина волны
(при рассеянии фотона на электроне λ с =2,426 пм).

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ -излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Этот Эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии меняться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Эффект Комптона - результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис.32.3) – налетающего фотона, обладающего импульсом р ф = hν/с и энергией Е ф = hν , с покоящимся свободным электроном (энергия покоя W 0 = m 0 с 2 ; m 0 – масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. При каждом столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Согласно закону сохранения энергия

W 0 + Е ф = W+ Е ф " , (32.10)

а согласно закону сохранения импульса

р ф = р е + р ф " , (32.11)

Где W 0 = m 0 с 2 – энергия электрона до столкновения, Е ф = hν – энергия налетающего фотона, W = - энергия электрона после столкновения, Е ф " = hν" – энергия рассеянного фотона. Подставим в выражение (32.10) значения величин и представив (32.11) в соответствии с рис. 32.3, получим

m 0 с 2 + hν = + hν" ,(32.12)

2 vv" соsθ . (32.13)

Решая уравнения (32.12) и (32.13) совместно, получим

m 0 с 2 (ν- ν" ) = hvν" (1 – соsθ ). (32.14)

Поскольку v = с/λ, v" = с/λ" и Δλ=λ΄-λ, получим

Δλ= sin 2 . (32.15)

Выражение (32.15) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (32.9).

Наличие в составе рассеянного излучения несмещенной линии (излучения первоначальной длины волны) можно объяснить следующим образом. При рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому в данном случае длина волны рассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны падающего излучения.

Эффект Комптона не может наблюдаться в видимой области спектра, поскольку энергия фотона видимого света сравнима с энергией связи электрона с атомом, при этом даже внешний электрон нельзя считать свободным.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором - поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободным электроном, а фотоэффект - со связанными электронами. При столкновении фотона со свободным электроном не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т. е. эффект Комптона.