Komptona efekts un tā elementārā teorija. Komptona efekts: Kvantu mehānikas stūrakmens Komptona efekta viļņa garuma maiņa

COMPTON EFFECT (Compton scattering), cietā (īsviļņu garuma) elektromagnētiskā starojuma izkliede ar brīvi lādētām daļiņām, ko pavada izkliedētā starojuma viļņa garuma izmaiņas. To 1922. gadā atklāja A. Komptons cieto rentgenstaru izkliedes laikā grafītā, kura atomu elektronus, kas izkliedē starojumu, ar labu precizitāti var uzskatīt par brīviem (jo rentgenstaru biežums krietni pārsniedz elektronu raksturīgās frekvences kustība gaismas atomos). Saskaņā ar Komptona mērījumiem rentgena starojuma sākotnējais viļņa garums λ 0, kad tas tika izkliedēts pa leņķi θ, palielinājās un izrādījās vienāds ar

kur λ C ir nemainīga vērtība visām vielām, ko sauc par elektrona Komptona viļņa garumu. (Biežāk tiek izmantota vērtība λ С = λ/2π = 3,86159268·10 -11 cm) Komptona efekts ir krasi pretrunā ar klasisko gaismas viļņu teoriju, saskaņā ar kuru elektromagnētiskā starojuma viļņa garums nedrīkst mainīties, kad tas tiek izkliedēts ar brīvo starojumu. elektroni. Tāpēc Komptona efekta atklāšana bija viens no svarīgākajiem faktiem, kas norādīja uz gaismas duālo dabu (sk. Korpuskulāro viļņu duālismu). Komptona un neatkarīgi no viņa P. Debija sniegtais efekta skaidrojums ir tāds, ka γ-kvants ar enerģiju E \u003d ћω un impulsu p \u003d ћk, saduroties ar elektronu, daļu savas enerģijas pārnes uz tas, atkarībā no izkliedes leņķa. (Šeit ћ ir Planka konstante, ω ir elektromagnētiskā viļņa cikliskā frekvence, k ir tā viļņa vektors |k|= ω/s, kas saistīts ar viļņa garumu ar attiecību λ = 2π|k|.) Saskaņā ar likumiem Enerģijas un impulsa saglabāšana, miera stāvoklī esoša elektrona izkliedētā enerģija γ-kvants ir vienāds ar

kas pilnībā atbilst izkliedētā starojuma viļņa garumam λ'. Šajā gadījumā elektrona Komptona viļņa garumu izsaka ar pamatkonstantēm: elektronu masu m e, gaismas ātrumu c un Planka konstanti ћ: λ С = ћ/m e c. Pirmais kvalitatīvais apstiprinājums šādai Komptona efekta interpretācijai bija C.T.R.Wilson novērojums 1923.gadā par atsitiena elektroniem, kad viņa izgudrotajā kamerā (Vilsona kamerā) gaiss tika apstarots ar rentgena stariem. Detalizētus kvantitatīvus Komptona efekta pētījumus veica D. V. Skobelcins, kurš kā augstas enerģijas γ-kvantu avotu izmantoja radioaktīvo preparātu RaC (214 Bi) un kā detektoru magnētiskajā laukā novietotu mākoņu kameru. Skobelcina dati vēlāk tika izmantoti kvantu elektrodinamikas pārbaudei. Šīs pārbaudes rezultātā zviedru fiziķis O. Kleins, japāņu fiziķis Y. Nišina un IE Tamms atklāja, ka Komptona efekta efektīvais šķērsgriezums samazinās, palielinoties γ-kvantu enerģijai (ti, samazinoties) elektromagnētiskā starojuma viļņa garumā) un ar viļņu garumiem, kas ievērojami pārsniedz Komptona garumu, tiecas līdz robežai σ T \u003d (8π / 3) re 2 \u003d 0,6652459 10 -24 cm 2, ko uz viļņa pamata norāda Dž.Dž.Tomsons. teorija (re \u003d e 2 / mes 2 - klasiskais elektronu rādiuss).

Komptona efekts novērojams γ-kvantu izkliedē ne tikai pa elektroniem, bet arī citām daļiņām ar lielāku masu, bet efektīvais šķērsgriezums šajā gadījumā ir par vairākām kārtām mazāks.

Gadījumā, ja γ-kvantu izkliedē nevis miera stāvoklī esošs, bet kustīgs (īpaši relatīvistisks) elektrons, enerģiju no elektrona var pārnest uz γ-kvantu. Šo parādību sauc par apgriezto Komptona efektu.

Komptona efekts kopā ar fotoelektrisko efektu un elektronu-pozitronu pāru veidošanos ir galvenais mehānisms cietā elektromagnētiskā starojuma absorbcijai vielā. Komptona efekta relatīvā loma ir atkarīga no elementa atomu skaita un γ staru enerģijas. Svinā, piemēram, Komptona efekts dod galveno ieguldījumu fotonu zudumā 0,5-5 MeV enerģijas diapazonā, alumīnijā - 0,05-15 MeV diapazonā (Zīm.). Šajā enerģijas diapazonā Compton izkliede tiek izmantota, lai noteiktu γ starus un izmērītu to enerģiju.

Komptona efektam ir svarīga loma astrofizikā un kosmoloģijā. Piemēram, tas nosaka enerģijas pārneses procesu ar fotoniem no zvaigžņu centrālajiem apgabaliem (kur notiek kodoltermiskās reakcijas) uz to virsmu, t.i., galu galā, zvaigžņu spilgtumu un to evolūcijas ātrumu. Izkliedes radītais gaismas spiediens nosaka zvaigžņu kritisko spožumu, no kura sāk paplašināties zvaigznes apvalks.

Agrīnā izplešanās Visumā Komptona izkliede uzturēja līdzsvara temperatūru starp vielu un starojumu karstā protonu un elektronu plazmā, līdz no šīm daļiņām veidojās ūdeņraža atomi. Pateicoties tam, kosmiskā mikroviļņu fona starojuma leņķiskā anizotropija sniedz informāciju par matērijas primārajām svārstībām, kas noved pie liela mēroga Visuma struktūras veidošanās. Apgrieztais Komptona efekts izskaidro dažu kosmisko avotu fona galaktikas starojuma un γ-starojuma rentgena komponenta esamību. Kosmiskajam mikroviļņu fona starojumam ejot cauri karstiem gāzes mākoņiem tālās galaktikās, apgrieztā Komptona efekta dēļ kosmiskā mikroviļņu fona starojuma spektrā rodas kropļojumi, kas sniedz svarīgu informāciju par Visumu (sk. Suņajeva-Zeldoviča efektu).

Apgrieztais Komptona efekts ļauj iegūt kvazi-monohromatiskus augstas enerģijas γ-kvantu starus, izkliedējot lāzera starojumu uz paātrinātu ultrarelativistisku elektronu sadursmes staru. Dažos gadījumos apgrieztais Komptona efekts neļauj īstenot termokodolsintēzes reakcijas zemes apstākļos.

Lit.: Alfa, beta un gamma spektroskopija. M., 1969. Izdevums. 1-4; Shpolsky E.V. Atomu fizika. M., 1986. T. 1-2.

Komptona efekts
Komptona efekts

Komptona efekts - brīvā elektrona elektromagnētiskā starojuma izkliede, ko pavada starojuma frekvences samazināšanās (1923. gadā atklāja A. Komptons). Šajā procesā elektromagnētiskais starojums uzvedas kā atsevišķu daļiņu – asinsķermenīšu (kas šajā gadījumā ir elektromagnētiskā lauka kvanti – fotoni) plūsma, kas pierāda elektromagnētiskā starojuma duālo – korpuskulāro viļņu – raksturu. No klasiskās elektrodinamikas viedokļa starojuma izkliede ar frekvences izmaiņām nav iespējama.
Komptona izkliede ir atsevišķa fotona brīvā elektrona izkliede ar enerģiju E = hν = hc/ λ (h ir Planka konstante, ν ir elektromagnētiskā viļņa frekvence, λ ir tā garums, c ir gaismas ātrums) un impulss p = E/s. Izkliedējot uz elektrona miera stāvoklī, fotons nodod tam daļu savas enerģijas un impulsa un maina kustības virzienu. Izkliedes rezultātā elektrons sāk kustēties. Fotonam pēc izkliedes būs enerģija E " = hν " (un frekvence) mazāka par tās enerģiju (un frekvenci) pirms izkliedes. Attiecīgi pēc izkliedes fotona viļņa garums λ " palielināsies. No enerģijas un impulsa nezūdamības likumiem izriet, ka fotona viļņa garums pēc izkliedes palielināsies par

kur θ ir fotonu izkliedes leņķis un m e ir elektrona masa h/m e c = 0,024 Å, sauc par elektrona Komptona viļņa garumu.
Viļņa garuma izmaiņas Komptona izkliedes laikā nav atkarīgas no λ un nosaka tikai γ-kvanta izkliedes leņķis θ. Elektrona kinētisko enerģiju nosaka attiecība

Efektīvais šķērsgriezums γ-kvanta izkliedei ar elektronu nav atkarīgs no absorbējošā materiāla īpašībām. Tā paša procesa efektīvais šķērsgriezums, uz atomu, proporcionāls atomskaitlim (vai elektronu skaitam atomā) Z.
Komptona izkliedes šķērsgriezums samazinās, palielinoties γ-kvantu enerģijai: σ k ~ 1/E γ .

Apgrieztā Komptona efekts

Ja elektrons, uz kura ir izkliedēts fotons, ir ultrarelatīvistisks Ee >> E γ , tad šādā sadursmē elektrons zaudē enerģiju un fotons iegūst enerģiju. Šāds izkliedes process tiek izmantots, lai iegūtu augstas enerģijas γ-kvantu monoenerģētiskos starus. Šim nolūkam fotonu plūsma no lāzera tiek izkliedēta lielos leņķos ar augstas enerģijas paātrinātu elektronu staru, kas iegūts no akseleratora. Tādu augstas enerģijas un blīvuma γ-kvantu avotu sauc L aser- E elektroniski - G amma- S mūsu (KĀJAS). Pašlaik strādājošajā LEGS avotā lāzera starojums ar viļņa garumu 351,1 μm (~0,6 eV) tiek pārveidots par γ staru kūli ar enerģijām 400 MeV elektronu izkliedes rezultātā, kas paātrināta līdz 3 GeV enerģijām).
Izkliedētā fotona enerģija E γ ir atkarīga no paātrinātā elektronu stara ātruma v, enerģijas E γ0 un lāzera starojuma fotonu sadursmes leņķa θ ar elektronu staru, leņķa starp φ primārā un izkliedēti fotoni

Frontālā sadursmē

E 0 ir elektrona kopējā enerģija pirms mijiedarbības, mc 2 ir elektrona pārējā enerģija.
Ja sākotnējo fotonu ātrumu virziens ir izotrops, tad izkliedēto fotonu vidējo enerģiju γ nosaka sakarība

γ = (4E γ /3) (E e /mc 2).

Kad relativistiskie elektroni tiek izkliedēti ar mikroviļņu fona starojumu, veidojas izotropisks rentgena kosmiskais starojums ar enerģiju
E γ = 50–100 keV.
Eksperiments apstiprināja prognozētās fotonu viļņa garuma izmaiņas, kas liecināja par labu Komptona efekta mehānisma korpuskulārajai koncepcijai. Komptona efekts kopā ar fotoelektrisko efektu bija pārliecinošs pierādījums kvantu teorijas sākotnējo noteikumu pareizībai par mikropasaules daļiņu korpuskulāro viļņu raksturu.

Plašāku informāciju par apgriezto Komptona efektu sk.

UZSTĀDĪŠANAS UN EKSPERIMENTĀLĀS TEHNIKAS APRAKSTS

ATSAUCES

DARBA MĒRĶIS

COMPTON EFEKTS

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

TESTA JAUTĀJUMI

1. Kāda ir fotoelektriskā efekta fenomena būtība. Einšteina vienādojums fotoelektriskajam efektam.

2. Formulējiet Stoletova likumus ārējam fotoelektriskajam efektam.

3. Definējiet fotoelektriskā efekta sarkano robežu un darba funkciju.

4. Atvasināt darba formulu Planka konstantes noteikšanai.

5. Izveidojiet un izskaidrojiet fotoelektriskā efekta laikā novērotos strāvas-sprieguma raksturlielumus.

1. Izpētiet Komptona efektu, izmantojot datoreksperimentu.

2. Noteikt krītošā starojuma viļņa garuma izmaiņu atkarību no izkliedes leņķa.

1. Trofimova T.I. Fizikas kurss: mācību grāmata. pabalsts augstskolām / T.I. Trofimovs. -
2. izd. - M.: Augstāk. skola, 1990. - 478 lpp.

2. Saveļjevs I.V. Vispārējās fizikas kurss: mācību grāmata. pabalsts augstskolu studentiem. 3 sējumos, 3. sējums: Kvantu optika. Atomu fizika. Cietvielu fizika. Atomu kodola un elementārdaļiņu fizika / I.V. Saveļjevs. - M.: Nauka, 1982. - 304 lpp.

3. Detlaf A.A. Fizikas kurss: mācību grāmata. pabalsts augstskolām / A.A. Detlafs, B.M. Javorskis. - M.: Augstāk. skola, 1989. - 608 lpp.

17. gadsimta beigās gandrīz vienlaikus radās divas teorijas par gaismas dabu. Ņūtons ieteica izbeigšanās teorija, saskaņā ar kuru gaisma ir gaismas daļiņu (ķermeņu) plūsma, kas lido no gaismas ķermeņa pa taisnām trajektorijām. Huygens izvirzīja viļņu teorija, kurā gaisma tika uzskatīta par elastīgu vilni, kas izplatās pasaules ēterī.

Vispilnīgākās gaismas korpuskulārās īpašības izpaužas Komptona efektā. Amerikāņu fiziķis A. Komptons, 1923. gadā pētot monohromatiskā rentgena starojuma izkliedi pa vielām ar gaismas atomiem (parafīns, bors), konstatēja, ka izkliedētā starojuma sastāvā līdz ar sākotnējā viļņa garuma starojumu, starojums tiek novēroti arī garāki viļņi. Eksperimenti ir parādījuši, ka atšķirība Dl \u003d l "-l nav atkarīga no viļņa garuma l krītošais starojums un izkliedējošās vielas raksturs, bet to nosaka tikai izkliedes leņķa lielums q:

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

kur l" ir izkliedētā starojuma viļņa garums, l C - komptona viļņa garums,(kad fotonu izkliedē elektrons l C = 2,426 pm).

Komptona efekts sauc par īsviļņu elektromagnētiskā starojuma (rentgena un g-starojuma) elastīgu izkliedi uz vielas brīviem (vai vāji saistītiem) elektroniem, ko pavada viļņa garuma palielināšanās.

Komptona efekta skaidrojums sniegts, pamatojoties uz kvantu jēdzieniem par elektromagnētisko viļņu būtību. Ja mēs pieņemam, kā kvantu teorija dara, ka starojums ir fotonu plūsma, tad Komptona efekts ir rentgenstaru fotonu elastīgas sadursmes rezultāts ar vielas brīvajiem elektroniem (gaismas atomiem elektroni ir vāji saistīti ar kodoliem atomu, tāpēc pirmajā tuvinājumā tos var uzskatīt par brīviem). Šīs sadursmes laikā fotons pāriet uz elektronu daļu savas enerģijas un impulsa saskaņā ar to saglabāšanas likumiem.

1. attēls

Apsveriet divu daļiņu elastīgu sadursmi (1. attēls) - krītošu fotonu ar impulsu lpp g \u003d hn / c un enerģija e g \u003d hn, ar brīvu elektronu miera stāvoklī (miera enerģija W 0 \u003d m 0 c 2; m 0 ir elektrona miera masa). Fotons, saduroties ar elektronu, nodod tam daļu savas enerģijas un impulsa un maina kustības virzienu (izkliedē). Fotonu enerģijas samazināšanās nozīmē izkliedētā starojuma viļņa garuma palielināšanos. Lai izkliedētā fotona impulss un enerģija ir vienādi p"g=hn"/c un e"g=hn". Elektrons, kas iepriekš atradās miera stāvoklī, iegūst impulsu pe = mv, enerģiju W=mc 2 un nonāk kustībā – piedzīvo atgriezenisko saiti. Katrā šādā sadursmē tiek izpildīti enerģijas un impulsa nezūdamības likumi.

Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu,

, (2)

Saskaņā ar impulsa saglabāšanas likumu,

k = m v + k ,(3)

Dalot pirmo vienādojumu ar no, varat to ievietot veidlapā:

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

Šī vienādojuma izdalīšana kvadrātā dod:

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

No 1. attēla izriet, ka

Atņemot vienādojumu (6) no vienādojuma (5), mēs iegūstam:

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

Varat pārliecināties, ka m 2 (c 2 -v 2) = m 0 2 c 2, un tad viss nonāk līdz vienlīdzībai:

m 0 c(k - k’) = kk'(1-cos ). (8)

Reizinot vienādojumu ar 2 un dalot ar m 0 ckk' un, ņemot vērā, ka 2 / k = l, mēs iegūstam formulu:

. (9)

Izteiksme (9) nav nekas cits kā formula (1), ko eksperimentāli ieguva Komptons. Vērtību aizstāšana tajā h, m 0 un no dod elektrona Komptona viļņa garumu l C \u003d h / (m 0 c) \u003d 2,426 pm.

"Nenobīdītas" līnijas (sākotnējā viļņa garuma starojuma) klātbūtne izkliedētā starojuma sastāvā ir izskaidrojama šādi. Apsverot izkliedes mehānismu, tika pieņemts, ka fotons saduras tikai ar brīvu elektronu. Taču, ja elektrons ir cieši saistīts ar atomu, kā tas ir iekšējiem elektroniem (īpaši smagajos atomos), tad fotons apmainās ar enerģiju un impulsu ar atomu kopumā. Tā kā atoma masa salīdzinājumā ar elektrona masu ir ļoti liela, tad uz atomu tiek nodota tikai nenozīmīga daļa no fotona enerģijas. Tāpēc šajā gadījumā viļņa garums l " izkliedētais starojums praktiski neatšķirsies no krītošā starojuma viļņa garuma l.

Komptona efekts novērojams ne tikai uz elektroniem, bet arī uz citām lādētām daļiņām, piemēram, protoniem, tomēr lielās protona masas dēļ tā atsitiens ir “redzams” tikai tad, kad izkliedēti ļoti augstas enerģijas fotoni.

Gaismas korpuskulāro īpašību esamību apstiprina arī fotonu Komptona izkliede. Efekts ir nosaukts pēc amerikāņu fiziķa Artura Hollija Komptona, kurš atklāja šo fenomenu 1923. gadā. Viņš pētīja rentgenstaru izkliedi uz dažādām vielām.

Komptona efekts– fotonu frekvences (vai viļņa garuma) izmaiņas to izkliedes laikā. To var novērot, kad rentgena fotonus izkliedē brīvie elektroni vai kodoli, kad gamma starojums ir izkliedēts.

Rīsi. 2.5. Iestatīšanas shēma Komptona efekta izpētei.

Tr- rentgena caurule

Komptona eksperiments bija šāds: viņš izmantoja tā saukto līniju K α molibdēna raksturīgajā rentgenstaru spektrā ar viļņa garumu λ 0 = 0,071 nm. Šādu starojumu var iegūt, bombardējot molibdēna anodu ar elektroniem (2.5. att.), nogriežot cita viļņa garuma starojumu, izmantojot diafragmu un filtru sistēmu ( S). Monohromatiskā rentgena starojuma izplatīšanās caur grafīta mērķi ( M) noved pie fotonu izkliedes noteiktos leņķos φ , tas ir, lai mainītu fotonu izplatīšanās virzienu. Mērot ar detektoru ( D) dažādos leņķos izkliedētu fotonu enerģiju, var noteikt to viļņa garumu.

Izrādījās, ka izkliedētā starojuma spektrā līdzās starojumam, kas sakrīt ar krītošo starojumu, ir starojums ar zemāku fotonu enerģiju. Šajā gadījumā starpība starp krītošā un izkliedētā starojuma viļņu garumiem ∆ λ = λ – λ 0 jo lielāks, jo lielāks leņķis, kas nosaka jauno fotonu kustības virzienu. Tas ir, fotoni ar garāku viļņa garumu tika izkliedēti lielos leņķos.

Šo efektu nevar pamatot ar klasisko teoriju: gaismas viļņa garums izkliedes laikā nedrīkst mainīties, jo gaismas viļņa periodiska lauka iedarbībā elektrons svārstās ar lauka frekvenci, un tāpēc tam jebkurā leņķī jāizstaro vienādas frekvences sekundārie viļņi.

Komptona efekta skaidrojumu sniedza gaismas kvantu teorija, kurā gaismas izkliedes process tiek uzskatīts par elastīga fotonu sadursme ar vielas elektroniem. Šīs sadursmes laikā fotons pāriet uz elektronu daļu no savas enerģijas un impulsa saskaņā ar to saglabāšanas likumiem, tieši tāpat kā divu ķermeņu elastīgā sadursmē.

Rīsi. 2.6. Fotona komptona izkliede

Tā kā pēc fotona relativistiskās daļiņas mijiedarbības ar elektronu pēdējais var iegūt īpaši lielu ātrumu, enerģijas nezūdamības likums jāraksta relatīvistiskā formā:

(2.8)

Kur hv 0 Un hν ir attiecīgi krītošo un izkliedēto fotonu enerģija, mc 2 ir elektrona relativistiskā miera enerģija, ir elektrona enerģija pirms sadursmes, e e ir elektrona enerģija pēc sadursmes ar fotonu. Impulsa saglabāšanas likumam ir šāda forma:

(2.9)

kur p0 Un lpp ir fotona momenti pirms un pēc sadursmes, pe ir elektrona impulss pēc sadursmes ar fotonu (pirms sadursmes elektrona impulss ir nulle).

Mēs kvadrātā izteiksmi (2.30) un reizina ar kopš 2:

Izmantosim formulas (2.5) un izteiksim fotonu momentus to frekvenču izteiksmē: (2.11)

Ņemot vērā, ka relativistiskā elektrona enerģiju nosaka pēc formulas:

(2.12)

un izmantojot enerģijas nezūdamības likumu (2.8.), iegūstam:

Izteiksmi (2.13) mēs kvadrātā:

Salīdzināsim formulas (2.11) un (2.14) un veiksim vienkāršākos transformācijas:

(2.16)

Frekvenci un viļņa garumu saista attiecības ν =s/ λ , tāpēc formulu (2.16) var pārrakstīt šādi: (2.17)

Viļņa garuma atšķirība λ – λ 0 ir ļoti maza vērtība, tāpēc Komptona starojuma viļņa garuma izmaiņas ir pamanāmas tikai pie nelielām viļņa garuma absolūtajām vērtībām, tas ir, efekts tiek novērots tikai rentgena vai gamma starojumam.

Izkliedētā fotona viļņa garums, kā liecina eksperiments, nav atkarīgs no vielas ķīmiskā sastāva, to nosaka tikai leņķis θ uz kuriem fotons ir izkliedēts. To ir viegli izskaidrot, ja ņemam vērā, ka fotonus izkliedē nevis kodoli, bet elektroni, kas ir identiski jebkurā vielā.

Vērtība h/mc formulā (2.17) sauc par Komptona viļņa garumu un elektronam ir vienāds ar λc= 2,43 10 –12 m.

Vispilnīgākās gaismas korpuskulārās īpašības izpaužas Komptona efektā. Komptons, pētot monohromatiskā rentgena starojuma izkliedi pa vielām ar gaismas atomiem (parafīns, bors), konstatēja, ka izkliedētā starojuma sastāvā līdzās sākotnējā viļņa garuma starojumam novērojams arī garāka viļņa garuma starojums.

Eksperimenti ir parādījuši, ka atšķirība Δ λ=λ΄-λ nav atkarīgs no viļņa garuma λ krītošais starojums un izkliedējošās vielas raksturs, bet to nosaka tikai izkliedes leņķis θ :

Δ λ=λ΄-λ = 2λ s grēks 2 , (32.9)

kur λ΄ - izkliedētā starojuma viļņa garums, λ s- Komptona viļņa garums
(kad fotonu izkliedē elektrons λ s= 2,426 pm).

Komptona efekts ko sauc par īsviļņu elektromagnētiskā starojuma elastīgo izkliedi (rentgenstaru un γ -starojums) uz brīviem (vai vāji saistītiem) vielas elektroniem, ko papildina viļņa garuma palielināšanās.

Šis efekts neiekļaujas viļņu teorijas ietvaros, saskaņā ar kuru izkliedes laikā viļņa garums nedrīkst mainīties: gaismas viļņa periodiska lauka iedarbībā elektrons svārstās ar lauka frekvenci un tāpēc izstaro izkliedētus viļņus. ar tādu pašu frekvenci.

Komptona efekta skaidrojums sniegts, pamatojoties uz gaismas būtības kvantu jēdzieniem. Komptona efekts ir rentgena fotonu elastīgas sadursmes rezultāts ar vielas brīvajiem elektroniem (gaismas atomiem elektroni ir vāji saistīti ar atomu kodoliem, tāpēc tos var uzskatīt par brīviem). Šīs sadursmes laikā fotons pāriet uz elektronu daļu savas enerģijas un impulsa saskaņā ar to saglabāšanas likumiem.

Apsveriet divu daļiņu elastīgu sadursmi (32.3. att.) - krītošu fotonu ar impulsu. р f = hν/s un enerģija E f = hν, ar brīvu elektronu miera stāvoklī (miera enerģija W 0 = m 0 no 2 ;m 0 ir elektrona atlikušā masa). Fotons, saduroties ar elektronu, nodod tam daļu savas enerģijas un impulsa un maina kustības virzienu (izkliedē). Fotonu enerģijas samazināšanās nozīmē izkliedētā starojuma viļņa garuma palielināšanos. Katrā sadursmē tiek izpildīti enerģijas nezūdamības un impulsa likumi.

Saskaņā ar enerģijas saglabāšanas likumu

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

un saskaņā ar impulsa saglabāšanas likumu

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

Kur W 0 = m 0 kopš 2 ir elektrona enerģija pirms sadursmes, E f = hν ir krītošā fotona enerģija, W= - elektronu enerģija pēc sadursmes, E f " = hν" ir izkliedētā fotona enerģija. Aizstāsim izteiksmē (32.10) lielumu un uzrādīšanas (32.11) vērtības saskaņā ar att. 32.3, mēs saņemam

m 0 ar 2 + hν = + hν",(32.12)

2 vv" cos θ . (32.13)

Atrisinot vienādojumus (32.12) un (32.13) kopā, iegūstam

m 0 no 2 (ν- ν" )= hvv"(1 – cos θ ). (32.14)

Ciktāl v = c/λ, v" = c/λ" un Δ λ=λ΄-λ, mēs saņemam

Δ λ= grēks 2 . (32.15)

Izteiksme (32.15) nav nekas cits kā formula (32.9), ko eksperimentāli ieguva Komptons.

Nenobīdītas līnijas (sākotnējā viļņa garuma starojuma) klātbūtne izkliedētā starojuma sastāvā ir izskaidrojama šādi. Apsverot izkliedes mehānismu, tika pieņemts, ka fotons saduras tikai ar brīvu elektronu. Taču, ja elektrons ir cieši saistīts ar atomu, kā tas ir iekšējiem elektroniem (īpaši smagajos atomos), tad fotons apmainās ar enerģiju un impulsu ar atomu kopumā. Tā kā atoma masa salīdzinājumā ar elektrona masu ir ļoti liela, tad uz atomu tiek nodota tikai nenozīmīga daļa no fotona enerģijas. Tāpēc šajā gadījumā izkliedētā starojuma viļņa garums praktiski neatšķirsies no krītošā starojuma viļņa garuma.

Komptona efektu nevar novērot spektra redzamajā apgabalā, jo redzamās gaismas fotona enerģija ir salīdzināma ar elektrona saistīšanās enerģiju ar atomu, un pat ārējo elektronu nevar uzskatīt par brīvu.

Komptona efekts novērojams ne tikai uz elektroniem, bet arī uz citām lādētām daļiņām, piemēram, protoniem, tomēr lielās protona masas dēļ tā atsitiens ir “redzams” tikai tad, kad izkliedēti ļoti augstas enerģijas fotoni.

Gan Komptona efekts, gan fotoelektriskais efekts, kas balstīts uz kvantu koncepcijām, ir saistīts ar fotonu mijiedarbību ar elektroniem. Pirmajā gadījumā fotons tiek izkliedēts, otrajā tas tiek absorbēts. Izkliede notiek, kad fotons mijiedarbojas ar brīvo elektronu, un fotoelektriskais efekts rodas, kad tas mijiedarbojas ar saistītajiem elektroniem. Kad fotons saduras ar brīvu elektronu, fotona absorbcija nevar notikt, jo tas ir pretrunā ar impulsa un enerģijas nezūdamības likumiem. Tāpēc, fotoniem mijiedarbojoties ar brīvajiem elektroniem, var novērot tikai to izkliedi, t.i., Komptona efektu.