Komptono efektas ir jo elementarioji teorija. Komptono efektas: Kvantinės mechanikos kertinis akmuo Komptono efekto bangos ilgio pokytis

COMPTON EFFECT (Compton scattering), kietosios (trumposios bangos) elektromagnetinės spinduliuotės sklaida laisvai įkrautomis dalelėmis, kartu su išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgio pasikeitimu. Jį A. Comptonas atrado 1922 m., sklaidant kietuosius rentgeno spindulius grafite, kurio atominius elektronus, išsklaidžiusius spinduliuotę, labai tiksliai galima laikyti laisvaisiais (nes rentgeno spindulių dažnis gerokai viršija būdinguosius elektronų dažnius). judėjimas šviesos atomuose). Komptono matavimais, pradinis rentgeno spinduliuotės bangos ilgis λ 0, kai ji buvo išsklaidyta kampu θ, padidėjo ir pasirodė lygus

kur λ C yra pastovi visų medžiagų vertė, vadinama elektrono Komptono bangos ilgiu. (Dažniau naudojama reikšmė λ С = λ/2π = 3,86159268·10 -11 cm) Komptono efektas smarkiai prieštarauja klasikinei šviesos bangų teorijai, pagal kurią elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgis neturi keistis, kai ją išsklaido laisvoji. elektronų. Todėl Komptono efekto atradimas buvo vienas iš svarbiausių faktų, rodančių dvigubą šviesos prigimtį (žr. korpuskulinės bangos dualizmą). Komptono ir, nepriklausomai nuo jo, P. Debye, efekto paaiškinimas yra toks, kad γ-kvantas, kurio energija E \u003d ћω ir impulsas p \u003d ћk, susidūręs su elektronu, dalį savo energijos perduoda tai, priklausomai nuo sklaidos kampo. (Čia ћ – Planko konstanta, ω – elektromagnetinės bangos ciklinis dažnis, k – jos bangos vektorius |k|= ω/s, susietas su bangos ilgiu santykiu λ = 2π|k|.) Pagal dėsnius energijos ir impulso išsaugojimas, ramybės būsenos elektrono išsklaidyta energija γ- kvantas yra lygus

kuri visiškai atitinka išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgį λ'. Šiuo atveju elektrono Komptono bangos ilgis išreiškiamas pagrindinėmis konstantomis: elektrono mase m e, šviesos greičiu c ir Planko konstanta ћ: λ С = ћ/m e c. Pirmasis kokybinis tokio Komptono efekto aiškinimo patvirtinimas buvo C.T.R.Wilsono 1923 metais pastebėtas atatrankos elektronų stebėjimas, kai oras buvo apšvitinamas rentgeno spinduliais jo sugalvotoje kameroje (Wilson chamber). Išsamius kiekybinius Komptono efekto tyrimus atliko D. V. Skobeltsyn, kuris kaip didelės energijos γ kvantų šaltinį naudojo radioaktyvų preparatą RaC (214 Bi), o kaip detektorių – magnetiniame lauke patalpintą debesų kamerą. Skobelcyno duomenys vėliau buvo panaudoti kvantinei elektrodinamikai išbandyti. Atlikę šį patikrinimą, švedų fizikas O. Kleinas, japonų fizikas Y. Nishina ir I. E. Tammas nustatė, kad efektyvusis Komptono efekto skerspjūvis mažėja didėjant γ kvantų energijai (t. y. mažėjant). elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgyje) ir kai bangos ilgiai gerokai viršija Comptono, linkę į ribą σ T \u003d (8π / 3) r e 2 \u003d 0,6652459 10 -24 cm 2, nurodytą J. J. Thomsono bangos pagrindu. teorija (re \u003d e 2 / m e s 2 - klasikinis elektrono spindulys).

Komptono efektas pastebimas γ kvantų sklaidoje ne tik elektronų, bet ir kitų didesnės masės dalelių, tačiau efektyvusis skerspjūvis šiuo atveju yra keliomis eilėmis mažesnis.

Tuo atveju, kai γ-kvantas yra išsklaidytas ne ramybės, o judančio (ypač reliatyvistinio) elektrono, energija iš elektrono gali būti perkelta į γ-kvantą. Šis reiškinys vadinamas atvirkštiniu Komptono efektu.

Komptono efektas kartu su fotoelektriniu efektu ir elektronų-pozitronų porų susidarymu yra pagrindinis kietosios elektromagnetinės spinduliuotės medžiagos absorbcijos mechanizmas. Santykinis Komptono efekto vaidmuo priklauso nuo elemento atominio skaičiaus ir γ spindulių energijos. Pavyzdžiui, švino atveju Compton efektas daugiausia prisideda prie fotonų praradimo 0,5–5 MeV energijos diapazone, o aliuminyje - 0,05–15 MeV (pav.). Šiame energijos diapazone Komptono sklaida naudojama γ spinduliams aptikti ir jų energijai matuoti.

Komptono efektas vaidina svarbų vaidmenį astrofizikoje ir kosmologijoje. Pavyzdžiui, jis nustato energijos perdavimo procesą fotonais iš centrinių žvaigždžių sričių (kur vyksta termobranduolinės reakcijos) į jų paviršių, t. y. galiausiai žvaigždžių šviesumą ir jų evoliucijos greitį. Sklaidos sukeliamas šviesos slėgis lemia kritinį žvaigždžių šviesumą, nuo kurio pradeda plėstis žvaigždės apvalkalas.

Ankstyvoje besiplečiančioje visatoje Komptono sklaida palaikė pusiausvyros temperatūrą tarp materijos ir spinduliuotės karštoje protonų ir elektronų plazmoje, kol iš šių dalelių susidarė vandenilio atomai. Dėl šios priežasties kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės kampinė anizotropija suteikia informacijos apie pirminius materijos svyravimus, dėl kurių susidaro plataus masto Visatos struktūra. Atvirkštinis Komptono efektas paaiškina foninės galaktikos spinduliuotės ir kai kurių kosminių šaltinių γ spinduliuotės rentgeno komponento egzistavimą. Kai kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė praeina per karštus dujų debesis tolimose galaktikose, dėl atvirkštinio Komptono efekto atsiranda kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės spektro iškraipymai, kurie suteikia svarbios informacijos apie Visatą (žr. Sunyajevo-Zeldovičiaus efektą).

Atvirkštinis Komptono efektas leidžia gauti kvazi-monochromatinius didelės energijos γ-kvantų pluoštus, išsklaidant lazerio spinduliuotę ant susidūrimo pagreitintų ultrareliatyvistinių elektronų pluošto. Kai kuriais atvejais atvirkštinis Komptono efektas neleidžia įgyvendinti termobranduolinės sintezės reakcijų antžeminėmis sąlygomis.

Lit.: Alfa, beta ir gama spektroskopija. M., 1969. Laida. 1-4; Shpolsky E.V. Atominė fizika. M., 1986. T. 1-2.

Komptono efektas
Komptono efektas

Compton efektas - elektromagnetinės spinduliuotės išsklaidymas laisvuoju elektronu, lydimas spinduliavimo dažnio sumažėjimo (1923 m. atrado A. Comptonas). Šiame procese elektromagnetinė spinduliuotė elgiasi kaip atskirų dalelių – korpusų (kurie šiuo atveju yra elektromagnetinio lauko kvantai – fotonai) srautas, o tai įrodo dvigubą – korpuskulinės bangos – elektromagnetinės spinduliuotės prigimtį. Klasikinės elektrodinamikos požiūriu spinduliuotės sklaida keičiantis dažniui yra neįmanoma.
Komptono sklaida – atskiro fotono, kurio energija E = hν = hc/ λ (h – Planko konstanta, ν – elektromagnetinės bangos dažnis, λ – ilgis, c – šviesos greitis) – laisvojo elektrono sklaida ir impulsas p = E/s. Išsklaidydamas ant ramybės būsenos elektrono, fotonas perduoda jam dalį savo energijos ir impulso bei keičia judėjimo kryptį. Dėl sklaidos elektronas pradeda judėti. Po sklaidos fotonas turės energiją E " = hν " (ir dažnis) mažesnis nei jo energija (ir dažnis) prieš išsklaidymą. Atitinkamai, po sklaidos fotono bangos ilgis λ " padidės. Iš energijos ir impulso tvermės dėsnių išplaukia, kad fotono bangos ilgis po sklaidos padidės

kur θ – fotono sklaidos kampas, o m e – elektrono masė h/m e c = 0,024 Å, vadinamas elektrono Komptono bangos ilgiu.
Bangos ilgio pokytis Komptono sklaidos metu nepriklauso nuo λ ir yra nulemtas tik γ kvanto sklaidos kampo θ. Elektrono kinetinę energiją lemia santykis

Efektyvus skerspjūvis γ-kvanto sklaidai elektronu nepriklauso nuo absorbuojančios medžiagos savybių. Efektyvus to paties proceso skerspjūvis, vienam atomui, proporcingas atominiam skaičiui (arba elektronų skaičiui atome) Z.
Komptono sklaidos skerspjūvis mažėja didėjant γ kvantinei energijai: σ k ~ 1/E γ .

Atvirkštinis Komptono efektas

Jeigu elektronas, ant kurio yra išsibarsčiusi fotonas, yra ultrareliatyvistinis Ee >> E γ , tai tokio susidūrimo metu elektronas netenka energijos, o fotonas įgyja energijos. Toks sklaidos procesas naudojamas didelės energijos γ-kvantų monoenergetiniams pluoštams gauti. Šiuo tikslu fotonų srautą iš lazerio dideliais kampais išsklaido didelės energijos pagreitintų elektronų pluoštas, išgaunamas iš greitintuvo. Toks didelės energijos ir tankio γ kvantų šaltinis vadinamas L aser- E elektroninis- G ama- S mūsų (KOJOS). Šiuo metu veikiančiame LEGS šaltinyje lazerio spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 351,1 μm (~0,6 eV), dėl elektronų, pagreitintų iki 3 GeV energijos, sklaidos paverčiama γ spinduliu, kurio energija yra 400 MeV).
Išsklaidyto fotono energija E γ priklauso nuo pagreitinto elektronų pluošto greičio v, energijos E γ0 ir lazerio spinduliuotės fotonų susidūrimo kampo θ su elektronų pluoštu, kampo tarp φ pirminio ir išsklaidyti fotonai

Per susidūrimą kaktomuša

E 0 – visa elektrono energija prieš sąveiką, mc 2 – likusioji elektrono energija.
Jei pradinių fotonų greičių kryptis yra izotropinė, tai vidutinė išsklaidytų fotonų energija γ nustatoma pagal ryšį

γ = (4E γ /3) (E e /mc 2).

Reliatyvistinių elektronų sklaida mikrobangų fonine spinduliuote sukuria izotropinę rentgeno kosminę spinduliuotę su energija
E γ = 50-100 keV.
Eksperimentas patvirtino numatomą fotono bangos ilgio pokytį, o tai liudijo korpuskulinės Komptono efekto mechanizmo sampratos naudai. Komptono efektas kartu su fotoelektriniu efektu buvo įtikinamas pradinių kvantinės teorijos nuostatų apie mikropasaulio dalelių korpuskulinės bangos prigimtį teisingumo įrodymas.

Daugiau apie atvirkštinį Compton efektą žr.

MONTAVIMO IR EKSPERIMENTINĖS TECHNIKOS APRAŠYMAS

NUORODOS

DARBO TIKSLAS

COMPTON EFEKTAS

L A B O R A T O R N A Y R A B O T A Nr. 7 B

TESTO KLAUSIMAI

1. Kokia yra fotoelektrinio efekto reiškinio esmė. Einšteino fotoelektrinio efekto lygtis.

2. Suformuluokite Stoletovo dėsnius išoriniam fotoelektriniam efektui.

3. Nubrėžkite raudoną fotoelektrinio efekto kraštą ir darbo funkciją.

4. Išveskite darbo formulę Planko konstantai nustatyti.

5. Sukurkite ir paaiškinkite srovės-tampos charakteristikas, pastebėtas fotoelektrinio efekto metu.

1. Kompiuteriniu eksperimentu ištirkite Komptono efektą.

2. Nustatykite krintančios spinduliuotės bangos ilgio kitimo priklausomybę nuo sklaidos kampo.

1. Trofimova T.I. Fizikos kursas: vadovėlis. pašalpa universitetams / T.I. Trofimovas. -
2-asis leidimas - M.: Aukštesnis. mokykla, 1990. - 478 p.

2. Saveliev I.V. Bendrosios fizikos kursas: vadovėlis. pašalpa aukštųjų mokyklų studentams. 3 tomas, 3 tomas: Kvantinė optika. Atominė fizika. Kietojo kūno fizika. Atomo branduolio ir elementariųjų dalelių fizika / I.V. Saveljevas. - M.: Nauka, 1982. - 304 p.

3. Detlaf A.A. Fizikos kursas: vadovėlis. pašalpa aukštojo mokslo įstaigoms / A.A. Detlafas, B.M. Javorskis. - M.: Aukštesnis. mokykla, 1989. - 608 p.

XVII amžiaus pabaigoje beveik vienu metu atsirado dvi teorijos apie šviesos prigimtį. – pasiūlė Niutonas galiojimo laiko teorija, pagal kurią šviesa yra šviesos dalelių (kūnelių) srautas, skrendantis iš šviečiančio kūno tiesiomis trajektorijomis. Huygensas pasiūlė bangų teorija, kurioje šviesa buvo laikoma tampria banga, sklindančia pasaulio eteryje.

Išsamiausios korpuskulinės šviesos savybės pasireiškia Komptono efektu. Amerikiečių fizikas A. Comptonas, 1923 m. tirdamas monochromatinės rentgeno spinduliuotės sklaidą medžiagomis, turinčiomis šviesos atomus (parafinu, boru), nustatė, kad išsklaidytos spinduliuotės sudėtyje kartu su pradinio bangos ilgio spinduliuote taip pat stebimos ilgesnės bangos. Eksperimentai parodė, kad skirtumas Dl \u003d l "-l nepriklauso nuo bangos ilgio l krintanti spinduliuotė ir sklaidos medžiagos pobūdis, tačiau ją lemia tik sklaidos kampo dydis q:

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

čia l" yra išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgis, l C - Komptono bangos ilgis,(kai fotonas yra išsklaidytas elektrono l C = 2,426 pm).

Komptono efektas vadinama elastinga trumpųjų bangų elektromagnetinės spinduliuotės (rentgeno ir g spinduliuotės) sklaida ant laisvųjų (arba silpnai surištų) medžiagos elektronų, kartu su bangos ilgio padidėjimu.

Komptono efekto paaiškinimas pateiktas remiantis kvantinėmis elektromagnetinių bangų prigimties sampratomis. Jei darysime prielaidą, kaip daro kvantinė teorija, kad spinduliuotė yra fotonų srautas, tai Komptono efektas yra elastingo rentgeno fotonų susidūrimo su laisvaisiais materijos elektronais rezultatas (šviesos atomų atveju elektronai yra silpnai surišti su branduoliais atomų, todėl pirmuoju aproksimavimu jie gali būti laikomi laisvaisiais). Šio susidūrimo metu fotonas perduoda elektroninei savo energijos ir impulso dalį pagal jų tvermės dėsnius.

1 paveikslas

Apsvarstykite elastingą dviejų dalelių susidūrimą (1 pav.) – krintantį fotoną su impulsu p g \u003d hn / c ir energija e g \u003d hn, esant laisvajam elektronui ramybės būsenoje (ramybės energija W 0 \u003d m 0 c 2; m 0 yra likusioji elektrono masė). Fotonas, susidūręs su elektronu, perduoda jam dalį savo energijos ir impulso bei keičia judėjimo kryptį (išsklaido). Fotonų energijos sumažėjimas reiškia išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgio padidėjimą. Tegul išsklaidyto fotono impulsas ir energija yra lygūs p"g=hn"/c ir e"g=hn". Elektronas, kuris anksčiau buvo ramybėje, įgauna pagreitį p e = mv, energijos W = mc 2 ir pradeda judėti – patiria grįžtamąjį ryšį. Kiekvieno tokio susidūrimo metu įvykdomi energijos tvermės ir impulso dėsniai.

Pagal energijos tvermės dėsnį,

, (2)

Pagal impulso išsaugojimo dėsnį,

k = m v + k ,(3)

Pirmąją lygtį padalijus iš su, galite perkelti į formą:

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

Šią lygtį padalijant kvadratu gaunama:

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

Iš 1 paveikslo matyti, kad

Iš (5) lygties atėmę (6) lygtį, gauname:

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

Galite įsitikinti, kad m 2 (c 2 -v 2) = m 0 2 c 2, tada viskas bus lygybė:

m 0 c(k – k’) = kk’(1-cos ). (8)

Padauginkite lygtį iš 2 ir padalykite iš m 0 ckk' ir, atsižvelgiant į tai, kad 2 / k = l, gauname formulę:

. (9)

Išraiška (9) yra ne kas kita, kaip formulė (1), kurią eksperimentiniu būdu gavo Compton. Vertybių pakeitimas į jį h, m 0 ir su suteikia elektrono Komptono bangos ilgį l C \u003d h / (m 0 c) \u003d 2,426 pm.

„Nepaslinktos“ linijos (pradinio bangos ilgio spinduliuotės) buvimas išsklaidytos spinduliuotės sudėtyje gali būti paaiškintas taip. Svarstant sklaidos mechanizmą, buvo daroma prielaida, kad fotonas susiduria tik su laisvuoju elektronu. Tačiau jei elektronas yra stipriai surištas su atomu, kaip yra vidinių elektronų atveju (ypač sunkiuosiuose atomuose), fotonas keičiasi energija ir impulsu su visu atomu. Kadangi atomo masė yra labai didelė, palyginti su elektrono mase, atomui perduodama tik nereikšminga fotono energijos dalis. Todėl šiuo atveju bangos ilgis l " išsklaidyta spinduliuotė praktiškai nesiskirs nuo krintančios spinduliuotės bangos ilgio l.

Komptono efektas pastebimas ne tik ant elektronų, bet ir ant kitų įkrautų dalelių, tokių kaip protonai, tačiau dėl didelės protono masės jo atatranka „matoma“ tik tada, kai išsibarstę labai didelės energijos fotonai.

Šviesos korpuskulinių savybių buvimą patvirtina ir fotonų Komptono sklaida. Poveikis pavadintas amerikiečių fiziko Arthuro Holly Comptono vardu, kuris 1923 m. atrado šį reiškinį. Jis tyrė rentgeno spindulių sklaidą ant įvairių medžiagų.

Komptono efektas– fotonų dažnio (arba bangos ilgio) pokytis jų sklaidos metu. Jį galima pastebėti, kai rentgeno fotonai yra išsklaidomi laisvųjų elektronų arba branduoliais, kai gama spinduliuotė yra išsklaidyta.

Ryžiai. 2.5. Komptono efekto tyrimo sąrankos schema.

Tr- rentgeno vamzdis

Komptono eksperimentas buvo toks: jis naudojo vadinamąją liniją K α būdingame molibdeno rentgeno spektre, kurio bangos ilgis λ 0 = 0,071 nm. Tokią spinduliuotę galima gauti elektronais bombarduojant molibdeno anodą (2.5 pav.), naudojant diafragmų ir filtrų sistemą, nutraukiant kitų bangų ilgių spinduliuotę ( S). Monochromatinės rentgeno spinduliuotės prasiskverbimas per grafito taikinį ( M) lemia fotonų sklaidą tam tikrais kampais φ , tai yra, pakeisti fotonų sklidimo kryptį. Matuojant detektoriumi ( D) skirtingais kampais išsibarsčiusių fotonų energija, galima nustatyti jų bangos ilgį.

Paaiškėjo, kad išsklaidytos spinduliuotės spektre kartu su spinduliuote, sutampančia su krintančia spinduliuote, yra ir mažesnės fotono energijos spinduliuotės. Šiuo atveju skirtumas tarp krintančios ir išsklaidytos spinduliuotės bangų ilgių ∆ λ = λ – λ 0 kuo didesnis, tuo didesnis kampas, nulemiantis naują fotonų judėjimo kryptį. Tai reiškia, kad ilgesnio bangos ilgio fotonai buvo išsklaidyti dideliais kampais.

Šio efekto negalima pagrįsti klasikine teorija: šviesos bangos ilgis sklaidos metu neturėtų keistis, nes veikiant periodiniam šviesos bangos laukui, elektronas svyruoja pagal lauko dažnį, todėl bet kokiu kampu turi skleisti antrines tokio pat dažnio bangas.

Komptono efektą paaiškino kvantinė šviesos teorija, kurioje šviesos sklaidos procesas laikomas kaip elastingas fotonų susidūrimas su materijos elektronais. Šio susidūrimo metu fotonas perduoda elektroninei savo energijos ir impulso dalį pagal jų tvermės dėsnius, lygiai taip pat, kaip dviejų kūnų elastingame susidūrime.

Ryžiai. 2.6. Fotono komptono sklaida

Kadangi po reliatyvistinės fotono dalelės sąveikos su elektronu pastarasis gali įgyti itin didelį greitį, energijos tvermės dėsnį reikia parašyti reliatyvistine forma:

(2.8)

Kur hv 0 ir hν yra atitinkamai krintančių ir išsklaidytų fotonų energija, mc 2 yra reliatyvistinė elektrono ramybės energija, yra elektrono energija prieš susidūrimą, e e yra elektrono energija po susidūrimo su fotonu. Impulso išsaugojimo dėsnis turi tokią formą:

(2.9)

kur p0 ir p yra fotono momentas prieš ir po susidūrimo, pe yra elektrono impulsas po susidūrimo su fotonu (prieš susidūrimą elektrono impulsas lygus nuliui).

Padalijame išraišką (2,30) kvadratu ir padauginame iš nuo 2:

Naudokime formules (2.5) ir išreikškime fotonų momentus jų dažniais: (2.11)

Atsižvelgiant į tai, kad reliatyvistinio elektrono energija nustatoma pagal formulę:

(2.12)

ir naudojant energijos tvermės dėsnį (2.8), gauname:

Išreiškimą (2.13) paverčiame kvadratu:

Palyginkime (2.11) ir (2.14) formules ir atliksime paprasčiausias transformacijas:

(2.16)

Dažnis ir bangos ilgis yra susiję su ryšiu ν =s/ λ , todėl formulę (2.16) galima perrašyti taip: (2.17)

Bangos ilgio skirtumas λ – λ 0 yra labai maža reikšmė, todėl Komptono spinduliuotės bangos ilgio pokytis pastebimas tik esant mažoms absoliučioms bangos ilgio vertėms, tai yra, poveikis stebimas tik rentgeno arba gama spinduliuotei.

Išsklaidyto fotono bangos ilgis, kaip rodo eksperimentas, nepriklauso nuo medžiagos cheminės sudėties, jį lemia tik kampas θ ant kurių fotonas yra išsklaidytas. Tai nesunku paaiškinti, jei manome, kad fotonai yra išsklaidyti ne branduoliais, o elektronais, kurie yra identiški bet kurioje medžiagoje.

Vertė h/mc formulėje (2.17) vadinamas Komptono bangos ilgiu ir elektronui lygus λc= 2,43 10 –12 m.

Išsamiausios korpuskulinės šviesos savybės pasireiškia Komptono efektu. Komptonas, tirdamas monochromatinės rentgeno spinduliuotės sklaidą medžiagomis, turinčiomis šviesos atomus (parafiną, borą), nustatė, kad išsklaidytos spinduliuotės sudėtyje kartu su pradinio bangos ilgio spinduliuote stebima ir ilgesnio bangos ilgio spinduliuotė.

Eksperimentai parodė, kad skirtumas Δ λ=λ΄-λ nepriklauso nuo bangos ilgio λ krintančią spinduliuotę ir sklaidančios medžiagos pobūdį, tačiau ją lemia tik sklaidos kampas θ :

Δ λ=λ΄-λ = 2λ s nuodėmė 2 , (32.9)

kur λ΄ - išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgis, λ s- Komptono bangos ilgis
(kai fotonas yra išsklaidytas elektrono λ s= 2,426 val.).

Komptono efektas vadinama elastine trumpųjų bangų elektromagnetinės spinduliuotės sklaida (rentgeno ir γ -spinduliavimas) ant laisvųjų (arba silpnai surištų) materijos elektronų, kartu su bangos ilgio padidėjimu.

Šis efektas netelpa į bangų teorijos rėmus, pagal kuriuos sklaidos metu bangos ilgis neturi keistis: veikiant periodiniam šviesos bangos laukui, elektronas svyruoja pagal lauko dažnį ir todėl skleidžia išsklaidytas bangas. to paties dažnio.

Komptono efekto paaiškinimas pateiktas remiantis kvantinėmis šviesos prigimties sampratomis. Komptono efektas yra elastingo rentgeno fotonų susidūrimo su laisvaisiais materijos elektronais rezultatas (lengvųjų atomų atveju elektronai yra silpnai surišti su atomų branduoliais, todėl juos galima laikyti laisvaisiais). Šio susidūrimo metu fotonas perduoda elektroninei savo energijos ir impulso dalį pagal jų tvermės dėsnius.

Panagrinėkime elastingą dviejų dalelių susidūrimą (32.3 pav.) – krintantį fotoną su impulsu. р f = hν/s ir energija E f = hν, kai laisvasis elektronas yra ramybės būsenoje (ramybės energija W 0 = m 0 su 2 ;m 0 yra likusioji elektrono masė). Fotonas, susidūręs su elektronu, perduoda jam dalį savo energijos ir impulso bei keičia judėjimo kryptį (išsklaido). Fotonų energijos sumažėjimas reiškia išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgio padidėjimą. Kiekvieno susidūrimo metu įvykdomi energijos tvermės ir impulso dėsniai.

Pagal energijos taupymo dėsnį

W 0 + E f=W + E f ", (32.10)

o pagal impulso tvermės dėsnį

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

Kur W 0 = m 0 nuo 2 yra elektrono energija prieš susidūrimą, E f = hν yra krintančio fotono energija, W= - elektronų energija po susidūrimo, E f " = hν yra išsklaidyto fotono energija. Išraiškoje (32.10) pakeiskime dydžių ir pateikimo (32.11) reikšmes pagal pav. 32.3, gauname

m 0 su 2 + hν = + hν,(32.12)

2 vv" cos θ . (32.13)

Spręsdami (32.12) ir (32.13) lygtis kartu, gauname

m 0 su 2 (ν- ν" )= hvv"(1 – cos θ ). (32.14)

Tiek, kiek v = c/λ, v" = c/λ" ir Δ λ=λ΄-λ, mes gauname

Δ λ= nuodėmė 2 . (32.15)

Išraiška (32.15) yra ne kas kita, kaip formulė (32.9), kurią eksperimentiškai gavo Compton.

Nepaslinktos linijos (pradinio bangos ilgio spinduliuotės) buvimą išsklaidytos spinduliuotės sudėtyje galima paaiškinti taip. Svarstant sklaidos mechanizmą, buvo daroma prielaida, kad fotonas susiduria tik su laisvuoju elektronu. Tačiau jei elektronas yra stipriai surištas su atomu, kaip yra vidinių elektronų atveju (ypač sunkiuosiuose atomuose), fotonas keičiasi energija ir impulsu su visu atomu. Kadangi atomo masė yra labai didelė, palyginti su elektrono mase, atomui perduodama tik nereikšminga fotono energijos dalis. Todėl šiuo atveju išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgis praktiškai nesiskirs nuo krintančios spinduliuotės bangos ilgio.

Komptono efektas negali būti stebimas matomoje spektro srityje, nes matomos šviesos fotono energija yra palyginama su elektrono su atomu susiejimo energija ir net išorinis elektronas negali būti laikomas laisvu.

Komptono efektas pastebimas ne tik ant elektronų, bet ir ant kitų įkrautų dalelių, tokių kaip protonai, tačiau dėl didelės protono masės jo atatranka „matoma“ tik tada, kai išsibarstę labai didelės energijos fotonai.

Tiek Komptono efektas, tiek fotoelektrinis efektas, pagrįstas kvantinėmis sąvokomis, atsiranda dėl fotonų sąveikos su elektronais. Pirmuoju atveju fotonas yra išsklaidytas, antruoju - absorbuojamas. Sklaida atsiranda, kai fotonas sąveikauja su laisvuoju elektronu, o fotoelektrinis efektas atsiranda, kai jis sąveikauja su surištais elektronais. Kai fotonas susiduria su laisvuoju elektronu, fotono absorbcija negali įvykti, nes tai prieštarauja impulso ir energijos tvermės dėsniams. Todėl fotonams sąveikaujant su laisvaisiais elektronais galima stebėti tik jų sklaidą, t.y., Komptono efektą.