Կոմպտոնի էֆեկտը և դրա տարրական տեսությունը. Կոմպտոնի էֆեկտ. Քվանտային մեխանիկայի ալիքի երկարության փոփոխության հիմնաքարը Կոմպտոնի էֆեկտում

ԿՈՄՊՏՈՆԻ ԷՖԵԿՏ (Compton scattering), կոշտ (կարճ ալիքի) էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ցրում ազատ լիցքավորված մասնիկներով՝ ուղեկցվող ցրված ճառագայթման ալիքի երկարության փոփոխությամբ։ Այն հայտնաբերվել է Ա. Քոմփթոնի կողմից 1922 թվականին գրաֆիտում կոշտ ռենտգենյան ճառագայթների ցրման ժամանակ, որի ատոմային էլեկտրոնները, որոնք ցրում են ճառագայթումը, կարելի է լավ ճշգրտությամբ համարել ազատ (քանի որ ռենտգենյան ճառագայթների հաճախականությունը զգալիորեն գերազանցում է էլեկտրոնի բնորոշ հաճախականությունները։ շարժումը թեթև ատոմներում): Համաձայն Քոմփթոնի չափումների՝ ռենտգենյան ճառագայթման λ 0 ալիքի սկզբնական երկարությունը, երբ այն ցրվել է θ անկյան տակ, մեծացել է և պարզվել է, որ հավասար է.

որտեղ λ C-ն հաստատուն արժեք է բոլոր նյութերի համար, որը կոչվում է էլեկտրոնի Կոմպտոնի ալիքի երկարություն: (Ավելի հաճախ օգտագործվում է λ С = λ/2π = 3,86159268·10 -11 սմ արժեքը) Կոմփթոնի էֆեկտը կտրուկ հակասում է լույսի դասական ալիքային տեսությանը, ըստ որի էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ալիքի երկարությունը չպետք է փոխվի, երբ այն ցրվում է ազատ: էլեկտրոններ։ Հետևաբար, Կոմփթոնի էֆեկտի հայտնաբերումը կարևորագույն փաստերից մեկն էր, որը մատնանշում էր լույսի երկակի բնույթը (տես Կորպուսկուլյար-ալիքային դուալիզմ)։ Քոմփթոնի և նրանից անկախ Պ.Դեբիի կողմից տրված ազդեցության բացատրությունն այն է, որ E \u003d ћω էներգիայով և p \u003d ћk իմպուլսով γ-քվանտը, բախվելով էլեկտրոնի հետ, իր էներգիայի մի մասը փոխանցում է. այն՝ կախված ցրման անկյունից։ (Այստեղ ћ-ն Պլանկի հաստատունն է, ω-ն էլեկտրամագնիսական ալիքի ցիկլային հաճախականությունն է, k-ն՝ նրա ալիքի վեկտորը |k|= ω/s, կապված ալիքի երկարության հետ λ = 2π|k| հարաբերությամբ) Ըստ օրենքների: էներգիայի և իմպուլսի պահպանում, էներգիան γ- քվանտ, որը ցրված է էլեկտրոնի կողմից հանգիստ վիճակում, հավասար է.

որը լիովին համապատասխանում է ցրված ճառագայթման ալիքի երկարությանը λ'։ Այս դեպքում էլեկտրոնի Կոմպտոնի ալիքի երկարությունը արտահայտվում է հիմնարար հաստատուններով՝ էլեկտրոնի զանգվածը m e, լույսի արագությունը c և Պլանկի հաստատունը ћ՝ λ С = ћ/m e c։ Կոմփթոնի էֆեկտի նման մեկնաբանության առաջին որակական հաստատումը 1923 թվականին Կ.Տ.Ռ. Վիլսոնի կողմից հետադարձ էլեկտրոնների դիտարկումն էր, երբ օդը ռենտգենյան ճառագայթներով ճառագայթվում էր նրա հորինած խցիկում (Վիլսոնի պալատ): Կոմպտոնի էֆեկտի մանրամասն քանակական ուսումնասիրություններն իրականացվել են Դ. Վ. Սկոբելցինի կողմից, որն օգտագործել է RaC (214 Bi) ռադիոակտիվ պատրաստուկը որպես բարձր էներգիայի γ-քվանտի աղբյուր, և որպես դետեկտոր՝ մագնիսական դաշտում տեղադրված ամպային խցիկ: Սկոբելցինի տվյալները հետագայում օգտագործվել են քվանտային էլեկտրադինամիկան փորձարկելու համար։ Այս ստուգման արդյունքում շվեդ ֆիզիկոս Օ. Կլայնը, ճապոնացի ֆիզիկոս Յ. Նիշինան և Ի. Է. Թամմը պարզեցին, որ Կոմփթոնի էֆեկտի արդյունավետ խաչմերուկը նվազում է γ-քվանտների էներգիայի աճով (այսինքն՝ նվազումով): էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ալիքի երկարության մեջ, և ալիքի երկարությամբ զգալիորեն գերազանցում է Կոմպտոնը, ձգտում է դեպի սահման σ T \u003d (8π / 3) r e 2 \u003d 0,6652459 10 -24 սմ 2, որը ցույց է տվել Ջ. Ջ. Թոմսոնը ալիքի հիման վրա: տեսություն (re \u003d e 2 / m e s 2 - դասական էլեկտրոնային շառավիղ):

Կոմպտոնի էֆեկտը նկատվում է γ-քվանտների ցրման ժամանակ ոչ միայն էլեկտրոնների, այլև ավելի մեծ զանգված ունեցող այլ մասնիկների կողմից, սակայն արդյունավետ խաչմերուկն այս դեպքում մի քանի կարգով փոքր է:

Այն դեպքում, երբ γ-քվանտը ցրվում է ոչ թե հանգստացող, այլ շարժվող (հատկապես հարաբերական) էլեկտրոնի միջոցով, էներգիան կարող է էլեկտրոնից փոխանցվել γ-քվանտին։ Այս երեւույթը կոչվում է հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտ։

Կոմպտոնի էֆեկտը, ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի և էլեկտրոն-պոզիտրոն զույգերի արտադրության հետ մեկտեղ, նյութի մեջ կոշտ էլեկտրամագնիսական ճառագայթման կլանման հիմնական մեխանիզմն է։ Կոմպտոնի էֆեկտի հարաբերական դերը կախված է տարրի ատոմային թվից և γ ճառագայթների էներգիայից։ Կապարի մեջ, օրինակ, Կոմպտոնի էֆեկտը հիմնական ներդրումն է ունենում ֆոտոնների կորստի մեջ 0,5-5 ՄէՎ էներգիայի միջակայքում, ալյումինում՝ 0,05-15 ՄՎ-ի միջակայքում (նկ.): Այս էներգիայի միջակայքում Compton ցրումը օգտագործվում է γ ճառագայթները հայտնաբերելու և դրանց էներգիան չափելու համար։

Կոմպտոնի էֆեկտը կարևոր դեր է խաղում աստղաֆիզիկայի և տիեզերագիտության մեջ: Օրինակ, այն որոշում է աստղերի կենտրոնական շրջաններից (որտեղ տեղի են ունենում ջերմամիջուկային ռեակցիաներ) էներգիայի փոխանցման գործընթացը աստղերի մակերևույթ, այսինքն, ի վերջո, աստղերի պայծառությունն ու դրանց էվոլյուցիայի արագությունը: Ցրման հետևանքով առաջացած լույսի ճնշումը որոշում է աստղերի կրիտիկական պայծառությունը, որից սկսած աստղի պատյանը սկսում է ընդլայնվել։

Վաղ ընդարձակվող տիեզերքում Կոմպտոնի ցրումը պահպանում էր հավասարակշռության ջերմաստիճանը նյութի և ճառագայթման միջև պրոտոններից և էլեկտրոններից բաղկացած տաք պլազմայում մինչև այս մասնիկներից ջրածնի ատոմների ձևավորումը: Դրա շնորհիվ տիեզերական միկրոալիքային ֆոնային ճառագայթման անկյունային անիզոտրոպիան տեղեկատվություն է տալիս նյութի առաջնային տատանումների մասին՝ հանգեցնելով Տիեզերքի լայնածավալ կառուցվածքի ձևավորմանը։ Հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտը բացատրում է ֆոնային գալակտիկական ճառագայթման ռենտգենյան բաղադրիչի և տիեզերական որոշ աղբյուրների γ-ճառագայթման գոյությունը։ Երբ տիեզերական միկրոալիքային ֆոնային ճառագայթումն անցնում է հեռավոր գալակտիկաների տաք գազային ամպերի միջով, հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտի պատճառով, աղավաղումներ են տեղի ունենում տիեզերական միկրոալիքային ֆոնային ճառագայթման սպեկտրում, որոնք կարևոր տեղեկություններ են տալիս Տիեզերքի մասին (տես Սունյաև-Զելդովիչի էֆեկտը):

Հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտը հնարավորություն է տալիս ստանալ բարձր էներգիայի γ-քվանտաների քվազիմոնոխրոմատիկ ճառագայթներ՝ ցրելով լազերային ճառագայթումը արագացված ուլտրառելյատիվիստական ​​էլեկտրոնների բախվող փնջի վրա։ Որոշ դեպքերում հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտը կանխում է ջերմամիջուկային միաձուլման ռեակցիաների իրականացումը երկրային պայմաններում։

Լույս. Ալֆա, բետա և գամմա սպեկտրոսկոպիա: Մ., 1969. Թողարկում. 1-4; Շպոլսկի E.V. Ատոմային ֆիզիկա. M., 1986. T. 1-2.

Կոմպտոնի էֆեկտ
Կոմպտոնի էֆեկտ

Կոմպտոնի էֆեկտ -էլեկտրամագնիսական ճառագայթման ցրում ազատ էլեկտրոնի միջոցով, որն ուղեկցվում է ճառագայթման հաճախականության նվազմամբ (հայտնաբերել է Ա. Քոմփթոնը 1923 թ.)։ Այս գործընթացում էլեկտրամագնիսական ճառագայթումն իրեն պահում է առանձին մասնիկների՝ կորպուսկուլեների (որոնք տվյալ դեպքում էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտա-ֆոտոններ են) հոսքի պես, որն ապացուցում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման երկակի՝ կորպուսկուլյար ալիքային բնույթը։ Դասական էլեկտրադինամիկայի տեսանկյունից ճառագայթման ցրումը հաճախականության փոփոխությամբ անհնար է։
Կոմպտոնի ցրումը առանձին ֆոտոնի ազատ էլեկտրոնի ցրումն է E = hν = hc/ λ էներգիայով (h-ը Պլանկի հաստատունն է, ν-ը էլեկտրամագնիսական ալիքի հաճախականությունն է, λ-ն նրա երկարությունն է, c-ը լույսի արագությունն է) և իմպուլս p = E/s. Հանգիստ վիճակում ցրվելով էլեկտրոնի վրա՝ ֆոտոնը նրան փոխանցում է իր էներգիայի և իմպուլսի մի մասը և փոխում է շարժման ուղղությունը։ Ցրման արդյունքում էլեկտրոնը սկսում է շարժվել։ Ֆոտոնը ցրվելուց հետո կունենա էներգիա E " = hν " (և հաճախականությունը) ավելի քիչ, քան իր էներգիան (և հաճախականությունը) մինչև ցրումը: Համապատասխանաբար, ցրումից հետո ֆոտոնի ալիքի երկարությունը λ " կավելանա։ Էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենքներից հետևում է, որ ֆոտոնի ալիքի երկարությունը ցրվելուց հետո կաճի

որտեղ θ-ը ֆոտոնների ցրման անկյունն է, իսկ m e-ն է էլեկտրոնային զանգվածը h/m e c = 0,024 Å կոչվում է էլեկտրոնի Կոմպտոնի ալիքի երկարություն:
Կոմպտոնի ցրման ժամանակ ալիքի երկարության փոփոխությունը կախված չէ λ-ից և որոշվում է միայն γ-քվանտի ցրման θ անկյունով։ Էլեկտրոնի կինետիկ էներգիան որոշվում է հարաբերությամբ

Էլեկտրոնի կողմից γ-քվանտի ցրման արդյունավետ խաչմերուկը կախված չէ կլանող նյութի բնութագրերից։ Նույն գործընթացի արդյունավետ խաչմերուկը, մեկ ատոմի համարատոմային թվին (կամ ատոմի էլեկտրոնների թվին) համամասնական Զ.
Կոմպտոնի ցրման խաչմերուկը նվազում է γ-քվանտային էներգիայի ավելացման հետ՝ σ k ~ 1/E γ :

Հակադարձ Կոմպտոնի էֆեկտ

Եթե ​​էլեկտրոնը, որի վրա ցրված է ֆոտոնը, ուլտրառելյատիվիստական ​​է Ee >> E γ , ապա նման բախման ժամանակ էլեկտրոնը կորցնում է էներգիա, իսկ ֆոտոնը ստանում է էներգիա։ Նման ցրման գործընթացն օգտագործվում է բարձր էներգիայի γ-քվանտների մոնոէներգետիկ ճառագայթներ ստանալու համար։ Այդ նպատակով լազերային ֆոտոնների հոսքը ցրվում է մեծ անկյուններով արագացուցիչից արդյունահանվող բարձր էներգիայի արագացված էլեկտրոնների ճառագայթով: Բարձր էներգիայի և խտության γ-քվանտների նման աղբյուրը կոչվում է Լասեր- Եէլեկտրոնային- Գհրազեն- Սմերս (ՈՏՔՆԵՐ): Ներկայիս գործող LEGS աղբյուրում 351,1 մկմ (~0,6 էՎ) ալիքի երկարությամբ լազերային ճառագայթումը վերածվում է γ-ճառագայթի՝ 400 ՄէՎ էներգիայով՝ 3 ԳեՎ էներգիաների արագացված էլեկտրոնների ցրման արդյունքում։
Ցրված E γ ֆոտոնի էներգիան կախված է արագացված էլեկտրոնային փնջի v արագությունից, E γ0 էներգիայից և լազերային ճառագայթման ֆոտոնների բախման θ անկյունից էլեկտրոնային փնջի հետ, φ առաջնային և շարժման ուղղությունների միջև եղած անկյունից: ցրված ֆոտոններ

Դեմ առ դեմ բախման ժամանակ

E 0-ը էլեկտրոնի ընդհանուր էներգիան է մինչև փոխազդեցությունը, mc 2-ը էլեկտրոնի մնացած էներգիան է:
Եթե ​​սկզբնական ֆոտոնների արագությունների ուղղությունը իզոտրոպ է, ապա ցրված ֆոտոնների γ միջին էներգիան որոշվում է հարաբերությամբ.

γ = (4E γ /3) (E e / mc 2):

Երբ ռելյատիվիստական ​​էլեկտրոնները ցրվում են միկրոալիքային ֆոնային ճառագայթմամբ, իզոտրոպ ռենտգենյան տիեզերական ճառագայթումը ձևավորվում է էներգիայով:
E γ = 50–100 կՎ.
Փորձը հաստատեց ֆոտոնի ալիքի երկարության կանխատեսված փոփոխությունը, որը վկայում էր Կոմպտոնի էֆեկտի մեխանիզմի կորպուսուլյար հայեցակարգի օգտին: Կոմպտոնի էֆեկտը, ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի հետ մեկտեղ, համոզիչ ապացույց էր միկրոաշխարհի մասնիկների կորպուսուլյար-ալիքային բնույթի մասին քվանտային տեսության սկզբնական դրույթների ճշտության։

Հակադարձ Կոմփթոնի էֆեկտի մասին ավելին տե՛ս.

ՏԵՂԱԴՐՄԱՆ ԵՎ ՓՈՐՁԱՐԱՐ ՏԵԽՆԻԿԻ ՆԿԱՐԱԳՐՈՒԹՅՈՒՆԸ

Հղումներ

ԱՇԽԱՏԱՆՔԻ ՆՊԱՏԱԿԸ

ԿՈՄՊՏՈՆԻ ԷՖԵԿՏԸ

L A B O R A T O R N A Y R A B O T A No 7 B

ԹԵՍՏԱՅԻՆ ՀԱՐՑԵՐ

1. Ո՞րն է ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի երեւույթի էությունը: Էյնշտեյնի հավասարումը ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի համար.

2. Ձևակերպե՛ք Ստոլետովի օրենքները արտաքին ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի համար։

3. Սահմանել ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի կարմիր սահմանը և աշխատանքի ֆունկցիան։

4. Բացի՛ր Պլանկի հաստատունը որոշելու աշխատանքային բանաձև։

5. Կառուցեք և բացատրեք ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի ժամանակ նկատվող ընթացիկ-լարման բնութագրերը:

1. Ուսումնասիրեք Կոմփթոնի էֆեկտը համակարգչային փորձի միջոցով:

2. Որոշեք անկման ճառագայթման ալիքի երկարության փոփոխության կախվածությունը ցրման անկյունից:

1. Տրոֆիմովա Տ.Ի. Ֆիզիկայի դասընթաց՝ դասագիրք. նպաստ բուհերի համար / T.I. Տրոֆիմով. -
2-րդ հրատ. - Մ.: Ավելի բարձր: դպրոց, 1990. - 478 էջ.

2. Սավելիև Ի.Վ. Ընդհանուր ֆիզիկայի դասընթաց՝ դասագիրք. նպաստ բարձրագույն ուսումնական հաստատությունների ուսանողների համար. 3 հատորում Հատոր 3. Քվանտային օպտիկա. Ատոմային ֆիզիկա. Պինդ վիճակի ֆիզիկա. Ատոմային միջուկի և տարրական մասնիկների ֆիզիկա / I.V. Սավելիև. - Մ.: Նաուկա, 1982. - 304 էջ.

3. Դետլաֆ Ա.Ա. Ֆիզիկայի դասընթաց՝ դասագիրք. նպաստ բարձրագույն ուսումնական հաստատությունների համար / Ա.Ա. Դետլաֆ, Բ.Մ. Յավորսկին։ - Մ.: Ավելի բարձր: դպրոց, 1989. - 608 էջ.

17-րդ դարի վերջում լույսի բնույթի մասին երկու տեսություն առաջացավ գրեթե միաժամանակ։ Նյուտոնն առաջարկեց ժամկետանց տեսություն, ըստ որի լույսը լույսի մասնիկների (մարմինների) հոսք է, որը թռչում է լուսավոր մարմնից ուղղագիծ հետագծերով։ Հյուգենսն առաջ քաշեց ալիքի տեսություն, որում լույսը համարվում էր համաշխարհային եթերի մեջ տարածվող առաձգական ալիք։

Լույսի ամենաամբողջական կորպուսուլյար հատկությունները դրսևորվում են Կոմպտոնի էֆեկտում։ Ամերիկացի ֆիզիկոս Ա. Քոմփթոնը, 1923 թվականին ուսումնասիրելով մոնոխրոմատիկ ռենտգենյան ճառագայթման ցրումը թեթև ատոմներով նյութերով (պարաֆին, բոր), պարզել է, որ ցրված ճառագայթման բաղադրության մեջ, սկզբնական ալիքի ճառագայթման հետ մեկտեղ, ճառագայթումը. նկատվում են նաև ավելի երկար ալիքներ։ Փորձերը ցույց են տվել, որ Dl \u003d l "-l տարբերությունը կախված չէ ալիքի երկարությունից լընկնող ճառագայթումը և ցրման նյութի բնույթը, բայց որոշվում է միայն ցրման անկյան մեծությամբ ք:

Դ լ = լ" - լ = 2լ C մեղք 2 ( ք/2), (1)

որտեղ l"-ը ցրված ճառագայթման ալիքի երկարությունն է, l C - կոմպտոնի ալիքի երկարությունը,(երբ ֆոտոնը ցրվում է էլեկտրոնի կողմից լ C = 2.426 pm):

Կոմպտոնի էֆեկտկոչվում է կարճ ալիքի էլեկտրամագնիսական ճառագայթման (ռենտգեն և g ճառագայթում) առաձգական ցրում նյութի ազատ (կամ թույլ կապված) էլեկտրոնների վրա, որն ուղեկցվում է ալիքի երկարության մեծացմամբ։

Կոմպտոնի էֆեկտի բացատրությունը տրված է էլեկտրամագնիսական ալիքների բնույթի քվանտային հասկացությունների հիման վրա։ Եթե ​​ենթադրենք, ինչպես քվանտային տեսությունն է, որ ճառագայթումը ֆոտոնների հոսք է, ապա Կոմպտոնի էֆեկտը ռենտգենյան ֆոտոնների առաձգական բախման արդյունք է նյութի ազատ էլեկտրոնների հետ (թեթև ատոմների դեպքում էլեկտրոնները թույլ կապված են միջուկների հետ։ ատոմների, հետևաբար, առաջին մոտավորմամբ դրանք կարելի է համարել ազատ): Այս բախման ժամանակ ֆոտոնը փոխանցվում է իր էներգիայի և իմպուլսի էլեկտրոնային մասին՝ դրանց պահպանման օրենքներին համապատասխան։

Նկար 1

Դիտարկենք երկու մասնիկների առաձգական բախումը (Նկար 1)՝ իմպուլսով ընկնող ֆոտոն էջ g \u003d hn / c և էներգիա e g \u003d hn, հանգստի վիճակում գտնվող ազատ էլեկտրոնով (հանգիստ էներգիա W 0 \u003d m 0 c 2; m 0-ը էլեկտրոնի մնացած զանգվածն է): Ֆոտոնը, բախվելով էլեկտրոնի հետ, իր էներգիայի և իմպուլսի մի մասը փոխանցում է նրան և փոխում է շարժման ուղղությունը (ցրվում): Ֆոտոնի էներգիայի նվազումը նշանակում է ցրված ճառագայթման ալիքի երկարության ավելացում։ Թող ցրված ֆոտոնի իմպուլսը և էներգիան հավասար լինեն p"g=hn"/cեւ e"g=hn". Էլեկտրոնը, որը նախկինում հանգստի վիճակում էր, թափ է ստանում pe = mv,էներգիա W=mc 2և շարժման մեջ է մտնում՝ հետադարձ կապ է ապրում: Յուրաքանչյուր նման բախման ժամանակ բավարարվում են էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենքները։

Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն.

, (2)

Իմպուլսի պահպանման օրենքի համաձայն.

կ = մ v + կ ,(3)

Առաջին հավասարումը բաժանելով հետ, կարող եք այն բերել ձևի.

mc \u003d m 0 c + (k - k') . (4)

Այս հավասարումը քառակուսի դարձնելը տալիս է.

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

Նկար 1-ից հետևում է, որ

Հանեցնելով (6) հավասարումը (5) հավասարումից, մենք ստանում ենք.

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

Կարող եք համոզվել, որ m 2 (c 2 -v 2) = m 0 2 c 2, և այնուհետև ամեն ինչ գալիս է հավասարության.

m 0 c(k - k’) = kk’(1-cos). (8)

Հավասարումը բազմապատկելով 2-ով և բաժանելով դրա վրա m 0 ckk'և, հաշվի առնելով, որ 2 / k = l, մենք ստանում ենք բանաձևը.

. (9)

Արտահայտությունը (9) ոչ այլ ինչ է, քան (1) բանաձևը, որը ստացվել է Կոմպտոնի կողմից փորձարարական եղանակով: Դրա մեջ արժեքների փոխարինում ժ, մ 0 և հետտալիս է էլեկտրոնի Compton ալիքի երկարությունը l C \u003d h / (m 0 c) \u003d 2,426 pm:

Ցրված ճառագայթման բաղադրության մեջ «չտեղաշարժված» գծի (սկզբնական ալիքի երկարության ճառագայթում) առկայությունը կարելի է բացատրել այսպես. Ցրման մեխանիզմը դիտարկելիս ենթադրվում էր, որ ֆոտոնը բախվում է միայն ազատ էլեկտրոնի հետ։ Այնուամենայնիվ, եթե էլեկտրոնը ուժեղ կապված է ատոմի հետ, ինչպես դա տեղի է ունենում ներքին էլեկտրոնների դեպքում (հատկապես ծանր ատոմներում), ապա ֆոտոնը էներգիա և իմպուլս է փոխանակում ատոմի հետ որպես ամբողջություն։ Քանի որ ատոմի զանգվածը շատ մեծ է՝ համեմատած էլեկտրոնի զանգվածի հետ, ֆոտոն էներգիայի միայն աննշան մասն է փոխանցվում ատոմին։ Հետեւաբար, այս դեպքում ալիքի երկարությունը լ " ցրված ճառագայթումը գործնականում չի տարբերվի ընկնող ճառագայթման l երկարությունից:

Կոմպտոնի էֆեկտը նկատվում է ոչ միայն էլեկտրոնների, այլև այլ լիցքավորված մասնիկների վրա, ինչպիսիք են պրոտոնները, սակայն, պրոտոնի մեծ զանգվածի պատճառով, նրա հետադարձը «տեսանելի է» միայն այն դեպքում, երբ ցրվում են շատ բարձր էներգիաների ֆոտոններ:

Լույսի կորպուսկուլյար հատկությունների առկայությունը հաստատվում է նաև ֆոտոնների Կոմպտոնի ցրմամբ։ Էֆեկտն անվանվել է ի պատիվ ամերիկացի ֆիզիկոս Արթուր Հոլլի Քոմփթոնի, ով հայտնաբերել է այս երեւույթը 1923 թվականին։ Նա ուսումնասիրել է ռենտգենյան ճառագայթների ցրումը տարբեր նյութերի վրա։

Կոմպտոնի էֆեկտ- ֆոտոնների հաճախականության (կամ ալիքի երկարության) փոփոխություն դրանց ցրման ընթացքում: Այն կարելի է դիտարկել, երբ ռենտգենյան ֆոտոնները ցրվում են ազատ էլեկտրոններով կամ միջուկներով, երբ գամմա ճառագայթումը ցրվում է։

Բրինձ. 2.5. Կոմպթոնի էֆեկտի ուսումնասիրման համար նախատեսված սխեման:

Տր- ռենտգենյան խողովակ

Քոմփթոնի փորձը հետևյալն էր՝ նա օգտագործեց այսպես կոչված գիծը K αալիքի երկարությամբ մոլիբդենի բնորոշ ռենտգենյան սպեկտրում λ 0 = 0,071 նմ: Նման ճառագայթումը կարելի է ստանալ մոլիբդենի անոդը էլեկտրոններով ռմբակոծելու միջոցով (Նկար 2.5), այլ ալիքների երկարությունների ճառագայթումը կտրելով դիֆրագմների և ֆիլտրերի համակարգի միջոցով ( Ս): Մոնոխրոմային ռենտգենյան ճառագայթման անցումը գրաֆիտային թիրախի միջով ( Մ) հանգեցնում է ֆոտոնների որոշակի անկյունների ցրման φ , այսինքն՝ փոխել ֆոտոնների տարածման ուղղությունը։ Դետեկտորով չափելով ( Դ) տարբեր անկյուններում ցրված ֆոտոնների էներգիան, կարելի է որոշել դրանց ալիքի երկարությունը։

Պարզվեց, որ ցրված ճառագայթման սպեկտրում ճառագայթման հետ մեկտեղ, որը համընկնում է ընկնող ճառագայթման հետ, կա ճառագայթում ավելի ցածր ֆոտոն էներգիայով։ Այս դեպքում միջադեպի և ցրված ճառագայթման ալիքների երկարությունների տարբերությունը λ = λ – λ 0 որքան մեծ է, այնքան մեծ է ֆոտոնների շարժման նոր ուղղությունը որոշող անկյունը։ Այսինքն՝ ավելի մեծ ալիքի երկարությամբ ֆոտոնները ցրվել են մեծ անկյուններով։

Այս ազդեցությունը չի կարող հիմնավորվել դասական տեսությամբ՝ լույսի ալիքի երկարությունը չպետք է փոխվի ցրման ժամանակ, քանի որ. Լույսի ալիքի պարբերական դաշտի ազդեցության տակ էլեկտրոնը տատանվում է դաշտի հաճախականությամբ և, հետևաբար, պետք է արձակի նույն հաճախականության երկրորդական ալիքներ ցանկացած անկյան տակ:

Կոմպտոնի էֆեկտի բացատրությունը տրվել է լույսի քվանտային տեսությամբ, որտեղ լույսի ցրման գործընթացը համարվում է որպես. ֆոտոնների առաձգական բախում նյութի էլեկտրոնների հետ. Այս բախման ժամանակ ֆոտոնը փոխանցվում է իր էներգիայի և իմպուլսի էլեկտրոնային մասին՝ դրանց պահպանման օրենքներին համապատասխան, ճիշտ այնպես, ինչպես երկու մարմինների առաձգական բախման ժամանակ։

Բրինձ. 2.6. Ֆոտոնի կոմպտոնային ցրում

Քանի որ ֆոտոնի հարաբերական մասնիկի էլեկտրոնի հետ փոխազդեցությունից հետո վերջինս կարող է ստանալ գերբարձր արագություն, էներգիայի պահպանման օրենքը պետք է գրվի հարաբերական ձևով.

(2.8)

Որտեղ հվ 0և hնհամապատասխանաբար միջադեպի և ցրված ֆոտոնների էներգիաներն են, mc 2էլեկտրոնի հարաբերական հանգստի էներգիան է, էլեկտրոնի էներգիան է բախումից առաջ, ե եէլեկտրոնի էներգիան է ֆոտոնի հետ բախումից հետո։ Իմպուլսի պահպանման օրենքը ունի ձև.

(2.9)

որտեղ p0և էջեն ֆոտոնային մոմենտը բախումից առաջ և հետո, պէլեկտրոնի իմպուլսն է ֆոտոնի հետ բախումից հետո (մինչ բախումը էլեկտրոնի իմպուլսը զրո է)։

Մենք քառակուսի ենք կազմում արտահայտությունը (2.30) և բազմապատկում ենք 2-ից սկսած:

Եկեք օգտագործենք բանաձևերը (2.5) և արտահայտենք ֆոտոնային մոմենտը դրանց հաճախականությունների համաձայն. (2.11)

Հաշվի առնելով, որ հարաբերական էլեկտրոնի էներգիան որոշվում է բանաձևով.

(2.12)

և օգտագործելով էներգիայի պահպանման օրենքը (2.8), մենք ստանում ենք.

Մենք քառակուսի ենք դնում արտահայտությունը (2.13).

Եկեք համեմատենք (2.11) և (2.14) բանաձևերը և կատարենք ամենապարզ փոխակերպումները.

(2.16)

Հաճախականությունը և ալիքի երկարությունը կապված են հարաբերությունների հետ ν =s/ λ , ուստի բանաձևը (2.16) կարող է վերաշարադրվել հետևյալ կերպ. (2.17)

Ալիքի երկարության տարբերություն λ – λ 0 շատ փոքր արժեք է, ուստի ճառագայթման ալիքի երկարության Կոմպտոնի փոփոխությունը նկատելի է միայն ալիքի երկարության փոքր բացարձակ արժեքներով, այսինքն՝ ազդեցությունը դիտվում է միայն ռենտգենյան կամ գամմա ճառագայթման դեպքում։

Ցրված ֆոտոնի ալիքի երկարությունը, ինչպես ցույց է տալիս փորձը, կախված չէ նյութի քիմիական բաղադրությունից, այն որոշվում է միայն անկյունով. θ որի վրա ցրված է ֆոտոնը։ Սա հեշտ է բացատրել, եթե հաշվի առնենք, որ ֆոտոնները ցրված են ոչ թե միջուկներով, այլ էլեկտրոններով, որոնք նույնական են ցանկացած նյութում։

Արժեք ժ/մկբանաձևում (2.17) կոչվում է Կոմպտոնի ալիքի երկարություն և էլեկտրոնի համար հավասար է λc= 2,43 10 –12 մ.

Լույսի ամենաամբողջական կորպուսուլյար հատկությունները դրսևորվում են Կոմպտոնի էֆեկտում։ Քոմփթոնը, ուսումնասիրելով լույսի ատոմներով նյութերի (պարաֆին, բոր) միագույն ռենտգեն ճառագայթման ցրումը, պարզել է, որ ցրված ճառագայթման բաղադրության մեջ սկզբնական ալիքի ճառագայթման հետ մեկտեղ նկատվում է նաև ավելի երկար ալիքի ճառագայթում։

Փորձերը ցույց են տվել, որ տարբերությունը Δ λ=λ΄-λ կախված չէ ալիքի երկարությունից λ պատահական ճառագայթումը և ցրման նյութի բնույթը, սակայն որոշվում է միայն ցրման անկյան տակ θ :

Δ λ=λ΄-λ = 2λ սմեղք 2, (32.9)

որտեղ λ΄ - ցրված ճառագայթման ալիքի երկարություն, λ ս- Compton ալիքի երկարությունը
(երբ ֆոտոնը ցրվում է էլեկտրոնի կողմից λ ս= 2.426 pm):

Կոմպտոնի էֆեկտկոչվում է կարճ ալիքի էլեկտրամագնիսական ճառագայթման առաձգական ցրում (ռենտգեն և γ -ճառագայթում) նյութի ազատ (կամ թույլ կապված) էլեկտրոնների վրա, որն ուղեկցվում է ալիքի երկարության մեծացմամբ։

Այս էֆեկտը չի տեղավորվում ալիքի տեսության շրջանակում, ըստ որի ալիքի երկարությունը չպետք է փոխվի ցրման ժամանակ. լույսի ալիքի պարբերական դաշտի ազդեցության տակ էլեկտրոնը տատանվում է դաշտի հաճախականությամբ և, հետևաբար, արձակում է ցրված ալիքներ։ նույն հաճախականությամբ։

Կոմփթոնի էֆեկտի բացատրությունը տրվում է լույսի բնույթի քվանտային հասկացությունների հիման վրա։ Կոմպտոնի էֆեկտը ռենտգենյան ֆոտոնների առաձգական բախման արդյունք է նյութի ազատ էլեկտրոնների հետ (թեթև ատոմների դեպքում էլեկտրոնները թույլ կապված են ատոմների միջուկների հետ, ուստի դրանք կարելի է համարել ազատ)։ Այս բախման ժամանակ ֆոտոնը փոխանցվում է իր էներգիայի և իմպուլսի էլեկտրոնային մասին՝ դրանց պահպանման օրենքներին համապատասխան։

Դիտարկենք երկու մասնիկների առաձգական բախումը (նկ. 32.3)՝ իմպուլսով ընկնող ֆոտոն р f = hν/sև էներգիա Ե զ = hն, հանգստի վիճակում գտնվող ազատ էլեկտրոնով (հանգստի էներգիա Վ 0 = մ 0 հետ 2 ;մ 0-ը էլեկտրոնի մնացած զանգվածն է): Ֆոտոնը, բախվելով էլեկտրոնի հետ, իր էներգիայի և իմպուլսի մի մասը փոխանցում է նրան և փոխում է շարժման ուղղությունը (ցրվում): Ֆոտոնի էներգիայի նվազումը նշանակում է ցրված ճառագայթման ալիքի երկարության ավելացում։ Յուրաքանչյուր բախման ժամանակ կատարվում են էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենքները։

Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն

Վ 0 + Ե զ=W + E f ", (32.10)

և իմպուլսի պահպանման օրենքի համաձայն

r f = r e + r f ", (32.11)

Որտեղ Վ 0 = մ 0 2-ից սկսածէլեկտրոնի էներգիան է մինչև բախումը, Ե զ = hնմիջադեպի ֆոտոնի էներգիան է, Վ= - էլեկտրոնի էներգիա բախումից հետո, Ե զ" = hն"ցրված ֆոտոնի էներգիան է։ Եկեք (32.10) արտահայտության մեջ փոխարինենք մեծությունների արժեքները և ներկայացնենք (32.11) համաձայն Նկ. 32.3, մենք ստանում ենք

մ 0 հետ 2 + hν = + hն",(32.12)

2 vv" cos θ . (32.13)

Միասնաբար լուծելով (32.12) և (32.13) հավասարումները՝ ստանում ենք

մ 0 հետ 2 (ν- ν" )= հվվ»(1 – cos θ ). (32.14)

Այնքանով, որքանով v = c/λ, v" = c/λ"և Դ λ=λ΄-λ, մենք ստանում ենք

Δ λ= մեղք 2 . (32.15)

Արտահայտությունը (32.15) ոչ այլ ինչ է, քան բանաձև (32.9), որը փորձնականորեն ստացվել է Compton-ի կողմից:

Ցրված ճառագայթման բաղադրության մեջ չտեղափոխված գծի (սկզբնական ալիքի երկարության ճառագայթում) առկայությունը կարելի է բացատրել հետևյալ կերպ. Ցրման մեխանիզմը դիտարկելիս ենթադրվում էր, որ ֆոտոնը բախվում է միայն ազատ էլեկտրոնի հետ։ Այնուամենայնիվ, եթե էլեկտրոնը ուժեղ կապված է ատոմի հետ, ինչպես դա տեղի է ունենում ներքին էլեկտրոնների դեպքում (հատկապես ծանր ատոմներում), ապա ֆոտոնը էներգիա և իմպուլս է փոխանակում ատոմի հետ որպես ամբողջություն։ Քանի որ ատոմի զանգվածը շատ մեծ է էլեկտրոնի զանգվածի համեմատ, ֆոտոն էներգիայի միայն աննշան մասն է փոխանցվում ատոմին։ Հետևաբար, այս դեպքում ցրված ճառագայթման ալիքի երկարությունը գործնականում չի տարբերվի ընկնող ճառագայթման ալիքի երկարությունից։

Կոմպտոնի էֆեկտը չի կարող դիտվել սպեկտրի տեսանելի տարածքում, քանի որ տեսանելի լույսի ֆոտոնի էներգիան համեմատելի է ատոմի հետ էլեկտրոնի կապի էներգիայի հետ, և նույնիսկ արտաքին էլեկտրոնը չի կարող համարվել ազատ:

Կոմպտոնի էֆեկտը նկատվում է ոչ միայն էլեկտրոնների, այլև այլ լիցքավորված մասնիկների վրա, ինչպիսիք են պրոտոնները, սակայն, պրոտոնի մեծ զանգվածի պատճառով, նրա հետադարձը «տեսանելի է» միայն այն դեպքում, երբ ցրվում են շատ բարձր էներգիաների ֆոտոններ:

Ե՛վ Կոմպտոնի էֆեկտը, և՛ քվանտային հասկացությունների վրա հիմնված ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը պայմանավորված են էլեկտրոնների հետ ֆոտոնների փոխազդեցությամբ։ Առաջին դեպքում ֆոտոնը ցրված է, երկրորդում՝ կլանված։ Ցրումը տեղի է ունենում, երբ ֆոտոնը փոխազդում է ազատ էլեկտրոնի հետ, իսկ ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը տեղի է ունենում, երբ այն փոխազդում է կապված էլեկտրոնների հետ։ Երբ ֆոտոնը բախվում է ազատ էլեկտրոնի հետ, ֆոտոնի կլանումը չի կարող տեղի ունենալ, քանի որ դա հակասում է իմպուլսի և էներգիայի պահպանման օրենքներին։ Հետևաբար, երբ ֆոտոնները փոխազդում են ազատ էլեկտրոնների հետ, կարելի է դիտարկել միայն դրանց ցրումը, այսինքն՝ Կոմպտոնի էֆեկտը։