Эффект комптона и его элементарная теория. Эффект Комптона: краеугольный камень квантовой механики Что представляет собой эффект комптона

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.

При прохождении у-квантов через вещество, наряду с поглощением, происходит их рассеяние с изменением или же без видимого изменения длины волны. Рассеяние без изменения длины волны характерно для сравнительно мягкого рентгеновского излучения (Er « ntgC). Оно называется классическим, или томсоновским и находит свое объяснение в рамках классической электродинамики: падающая на атом электромагнитная волна приводит в вынужденные колебания связанные электроны, которые сами становятся излучателями волн с той же частотой (длиной волны). Для сечения классического рассеяния Дж. Дж. Томсон получил следующую формулу:

Рассеяние с изменением длины волны имеет место в тех случаях, когда энергия фотона сравнима с т е с 2 . Впервые это явление наблюдал А. Комптон (1922 г.) при исследовании рассеяния жестких рентгеновских лучей. В опытах Комптона было показано, что спектр рассеянного излучения, помимо первоначальной линии с длиной волны X, содержит смещенную линию Х"> X, причем величина смещения АХ = Х"-Х растет с увеличением угла рассеяния в, а при фиксированном в не зависит ни от X, ни от вида рассеивающего вещества. Все эти закономерности не объясняются классической волновой теорией, зато находят объяснение с точки зрения квантовой теории. Комптон и Дебай предложили трактовать наблюдаемое явление как упругое рассеяние квантов света (фотонов) на электронах вещества (ПРИЛОЖЕНИЕ Л). В каждом отдельном акте взаимодействуют один фотон и один электрон; электрон в этом случае можно считать свободным, так как энергия падающих фотонов выше, чем энергия связи электронов в атомах.

Полное сечение, определяющее число у-квантов, выбывших из первичного пучка (в расчете на один электрон), дается формулой Клейна-Нишины-Тамма:

где х - lE.Jm^c 2 . Рассмотрим ее предельные случаи.

При л: « 1 (нерелятивистский случай) число рассеянных у-квантов линейно убывает с ростом энергии у-квантов

В обратном, ультрарелятивистском случае (х » 1)

Таким образом, сечение комптоновского рассеяния уменьшается с ростом энергии фотона; в пределе Е г -> практически обратно пропорционально Е у (рис. 21.1). Полное сечение рассеяния у-квантов на атоме пропорционально числу электронов, г.е. Z.

Энергический спектр электронов отдачи (комптоновскнх электронов) непрерывен: их кинетическая энергия Т е распределена в интервале от 0 до максимальной величины, определяемой формулой Л.8 (ПРИЛОЖЕНИЕ Л).

Указанный на рис. 21.1 ход кривой, изображающей зависимость от Е^ относится к случаю бесконечно узкого пучка и точечного детектора, когда рассеянные на небольшой угол у-квангы не регистрируются. Однако на опыте употребляются пучки с конечным углом раствора, а детектор не является точечным. Поэтому весьма важно знание углового распределения рассеянных у- квантов.

Рис. 21.2.

При малых значениях jc угловое распределение следует закону (1 + cos"^), характерному для классической электромагнитной теории (ср - угол рассеяния у-кванта). Это распределение симметрично относительно (р = nil. Вероятность рассеяния максимальна при 0° и 180°. С увеличением.v угловое распределение становится все более и более направленным вперед. Кривые рис. 21.2 иллюстрируют характер углового распределения рассеянного у-излучения для различных значений Е г При х » 1 практически все рассеянное излучение можно считать сосредоточенным в узком конусе с углом раствора (р = Их.

В некоторых случаях необходимо учитывать скорости электронов, взаимодействующих с фотонами. Движение атомных электронов приводит к заметному разбросу энергий рассеянных фотонов и электронов отдачи (при фиксированном 0). В частности, если импульс электрона больше импульса летящего ему навстречу фотона, то последний не теряет, а приобретает энергию (обратный эффект Комптона).

Кроме электронов эффект Комптона может происходить и на дру-

гих заряженных (а также нейтральных, но имеющих ненулевой магнитный момент) частицах, например на протоне или нейтроне. Однако сечения рассеяния при этом очень малы, так как обратно пропорциональны квадрату массы частицы.

В заключение обсуждения комптоновского рассеяния у-квантов отмерим, что с этим явлением связано не только их рассеяние, но и последующее фотоэлектрическое поглощение в веществе. Если источник у-квантов со всех сторон окружить достаточно большими блоками из легкого вещества (например, алюминия), го за пределы блоков у-излучение уже не выйдет. Это будет не гак, если бы имело место классическое рассеяние. Однако при комптоновском рассеянии часть энергии у-кванта передастся электрону. Поэтому в результате многократного рассеяния в блоке у-квант постепенно потеряет большую часть своей энергии, и, в конце концов, поглотится, так как сечение фотоэффекта быстро растет с уменьшением энергии и становится больше, чем сечение рассеяния (рис. 21.1). На явлении многократного рассеяния основано устройство защиты от у-квантов из бетона, кирпича и т.д.

• То, что некоторая часть рассеянного рентгеновского излучения имеет первоначальную длину волны,объясняется тем. что часть фотонов рассеивается на внутренних электронах, сильно связанных с атомами. Это эквивалентно столкновению фотона не со свободным электроном, а с атомом, масса которого в тысячи раз больше массы электрона. Следовательно, передача энергии и связанное с ней изменение длины волны в этом случае оказываются в тысячи раз меньшими, т.е. практически ненаблюдаемыми. Для у-квантов, энергия которых больше энергии связи любого из атомных электронов, наблюдается только смешенная линия.

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.

В 1923 году амери­канский физик А. Комптон, исследуя рассеяние моно­хро­ма­ти­чес­ких рентгеновских лучей ве­ществами с лег­кими ато­мами (парафином, бором и др.), обнаружил, что в составе рассеянного излу­че­ния наряду с из­лучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн.

Рис. 12. Спектры рассеянного излучения.

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового элек­тро­магнитного излучения (рентгеновского и излучения) на свободных или слабо свя­зан­ных электронах вещества, сопро­вож­да­ю­ще­еся увеличением длины волны.

Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изме­нять­ся при рассеянии.

Пусть на покоящийся электрон с мас­сой m и энергией покоя m 0 c 2 па­дает рент­ге­нов­ский фотон с энергией h . В результате уп­­ругого столкновения электрон прио­бре­та­ет им­пульс, рав­ный
, и его полная энер­гия ста­новится равнойmc 2 . Фотон, столкнув­шись с электроном, пере­дает ему часть сво­ей энергии и импульса и изменяет на­пра­вле­ние дви­жения (рассеивается) на угол .

Рис. 13. Расчетная схема

p e =mv

p  ф = h /c

p ф =h /c

Закон сохранения энергии

(12)

Закон сохранения импульса

(13)

(14)

(12)

(16)

формула Комптона, (17)

комптоновская длина волны электрона.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например, протонах. Однако ввиду большой массы протона его отдача ощущается лишь при рассеянии фотонов очень больших энергий.

6. Двойственная корпускулярно-волновая природа света

Волновые свойства света

Длина волны , частота 

Интерференция, дифракция, поляризация

Корпускулярные свойства света

Энергия  ф, масса m ф, импульс р ф фотона

Тепловое излучение, давление света, фотоэффект, эффект Комптона

Волновые и корпускулярные свойства света не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Эта взаимосвязь отражается и в уравнениях:

Свет представляет собой диалектическое единство этих двух свойств, в проявлении этих противоположных свойств света имеется определенная закономерность: с уменьшением длины волны (увеличе­нием частоты) всё более отчетливо проявляются квантовые свойства света, а с увеличением длины волны (уменьшением частоты) основ­ную роль играют его волновые свойства. Таким образом, если "пе­ремещаться" по шкале электромагнитных волн в сторону более корот­ких (от радиоволн до -лучей), то волновые свойства электро­магнитного излучения будут постепенно уступать место всё более отчетливо проявляющимся квантовым свойствам.

Глава 5. Квантовая физика

5.3. Эффект Комптона *)

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона , не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Схема Комптона представлена на рис. 5.2.1. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны λ 0 , исходящее из рентгеновской трубки R , проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S , в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K , закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла рассеяния θ:

где Λ = 2,43·10 –3 нм – так называемая комптоновская длина волны , не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная линия с длиной волны λ 0 . Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией E 0 = h ν 0 и импульсом p 0 = h ν 0 / c , с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равнымp = h ν / c , а его энергия E = h ν < E 0 . Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой (см. § 4.5 ) становится равной гдеp e – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде

можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 5.3.3):

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины p e можно получить

Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений, дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h , c и m :

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ 0 . Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ 0 падающего излучения.

Комптона эффект

комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн - рентгеновского и гамма-излучения (См. Гамма-излучение). В К. э. впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства излучения.

К. э. открыт в 1922 американским физиком А. Комптон ом, обнаружившим, что рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем падающие. Классическая теория не могла объяснить такого сдвига длины волны. Действительно, согласно классической электродинамике (См. Электродинамика), под действием периодического электрического поля электромагнитной (световой) волны электрон должен колебаться с частотой, равной частоте поля, и, следовательно, излучать вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Таким образом, при «классическом» рассеянии (теория которого была дана английским физиком Дж. Дж. Томсон ом и которое поэтому называют «томсоновским») длина световой волны не меняется.

Первоначальная теория К. э. на основе квантовых представлений была дана А. Комптоном и независимо П. Дебаем (См. Дебай). По квантовой теории световая волна представляет собой поток световых квантов - фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию E γ = hυ = hcl λ и импульс p γ = (h/ λ) n, где λ - длина волны падающего света (υ - его частота), с - скорость света, h - постоянная Планка, а n - единичный вектор в направлении распространения волны (индекс у означает фотон). К. э. в квантовой теории выглядит как упругое столкновение двух частиц - налетающего фотона и покоящегося электрона. В каждом таком акте столкновения соблюдаются законы сохранения энергии и импульса. Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается); уменьшение энергии фотона и означает увеличение длины волны рассеянного света. Электрон, ранее покоившийся, получает от фотона энергию и импульс и приходит в движение - испытывает отдачу. Направление движения частиц после столкновения, а также их энергии определяются законами сохранения энергии и импульса (рис. 1 ).

Совместное решение уравнений, выражающих равенства суммарной энергии и суммарного импульса частиц до и после столкновения (в предположении, что электрон до столкновения покоился), даёт для сдвига длины световой волны Δλ формулу Комптона:

Δλ= λ" - λ= λ о (1-cos ϑ).

Здесь λ" - длина волны рассеянного света, ϑ - угол рассеяния фотона, а λ 0 = h/mc = 2,426∙10 -10 см = 0,024 Е - так называемая комптоновская длина волны электрона (т - масса электрона). Из формулы Комптона следует, что сдвиг длины волны Δλ не зависит от самой длины волны падающего света λ. Он определяется лишь углом рассеяния фотона ϑ и максимален при ϑ = 180°, т. е. при рассеянии назад: Δλ макс. =2 λ 0 .

Из тех же уравнений можно получить выражения для энергии E e электрона отдачи («комптоновского» электрона) в зависимости от угла его вылета φ. На графически представлена зависимость энергии рассеянного фотона от угла рассеяния ϑ, а также связанная с нею зависимость E e от φ. Из рисунка видно, что электроны отдачи всегда имеют составляющую скорости по направлению движения падающего фотона (т. е. φ не превышает 90°).

Опыт подтвердил все теоретические предсказания. Таким образом, была экспериментально доказана правильность корпускулярных представлений о механизме К. э. и тем самым правильность исходных положений квантовой теории.

В реальных опытах по рассеянию фотонов веществом электроны не свободны, а связаны в атомах. Если фотоны обладают большой энергией по сравнению с энергией связи электронов в атоме (фотоны рентгеновского и γ-излучения), то электроны испытывают настолько сильную отдачу, что оказываются выбитыми из атома. В этом случае рассеивание фотонов происходит как на свободных электронах. Если же энергия фотона недостаточна для того, чтобы вырвать электрон из атома, то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома очень велика (по сравнению с эквивалентной массой фотона, равной, согласно относительности теории (См. Относительности теория), E γ /с 2), то отдача практически отсутствует; поэтому рассеяние фотона произойдет без изменения его энергии, то есть без изменения длины волны (как говорят когерентно). В тяжелых атомах слабо связаны лишь периферические электроны (в отличие от электронов, заполняющие внутренние оболочки атома) и поэтому в спектре рассеянного излучения присутствует как смещенная, комптоновская линия от рассеяния на периферических электронах, так и не смещенная, когерентная линия от рассеяния на атоме в целом. С увеличением атомного номера элемента (то есть заряда ядра) энергия связи электронов увеличивается, и относительная интенсивность комптоновской линии падает, а когерентной линии - растет.

Движение электронов в атомах приводит к уширению комптоновской линии рассеянного излучения. Это объясняется тем, что для движущихся электронов длина волны падающего света кажется несколько измененной, причем величина изменения зависит от величины и направления скорости движения электрона (см. Доплера эффект). Тщательные измерения распределения интенсивности внутри комптоновской линии, отражающего распределение электронов рассеивающего вещества по скоростям, подтвердили правильность квантовой теории, согласно которой электроны подчиняются Ферми - Дирака статистике (См. Ферми - Дирака статистика).

Рассмотренная упрощённая теория К. э. не позволяет вычислить все характеристики комптоновского рассеяния, в частности интенсивность рассеяния фотонов под разными углами. Полную теорию К. э. даёт Квантовая электродинамика . Интенсивность комптоновского рассеяния зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего излучения. В угловом распределении рассеянных фотонов наблюдается асимметрия: больше фотонов рассеивается по направлению вперёд, причём эта асимметрия увеличивается с энергией падающих фотонов. Полная интенсивность комптоновского рассеяния уменьшается с ростом энергии первичных фотонов; это означает, что вероятность комптоновского рассеяния фотона, пролетающего через вещество, убывает с его энергией. Такая зависимость интенсивности от E γ определяет место К. э. среди других эффектов взаимодействия излучения с веществом, ответственных за потери энергии фотонами при их пролёте через вещество. Например, в свинце (в статье Гамма-излучение) К. э. даёт главный вклад в энергетические потери фотонов при энергиях порядка 1-10 Мэв (в более лёгком элементе - алюминии - этот диапазон составляет 0,1-30 Мэв ); ниже этой области с ним успешно конкурирует Фотоэффект , а выше - рождение пар (см. Аннигиляция и рождение пар).

Комптоновское рассеяние широко используется в исследованиях γ-излучения ядер, а также лежит в основе принципа действия некоторых Гамма-спектрометр ов.

К. э. возможен не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например на протонах, но из-за большой массы протона отдача его заметна лишь при рассеянии фотонов очень высокой энергии.

Двойной К. э. - образование двух рассеянных фотонов вместо одного первичного при его рассеянии на свободном электроне. Существование такого процесса следует из квантовой электродинамики; впервые он наблюдался в 1952. Его вероятность примерно в 100 раз меньше вероятности обычного К. э.

Обратный комптон-эффект. Если электроны, на которых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими (то есть движутся со скоростями, близкими к скорости света), то при упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, то есть энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счет энергии (и импульса) электронов. Это явление называют обратным К. э. Обратный К. э. часто привлекают для объяснения механизма излучения космических рентгеновских источников, образования рентгеновской компоненты фонового галактического излучения, трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.

Лит.: Борн М., Атомная физика, пер. с англ.. 3 изд., М., 1970; Гайтлер В., Квантовая теория излучения, [пер. с англ.], М., 1956.

В. П. Павлов.

Рис. 1. Упругое столкновение фотона и электрона в Комптона эффекте. До столкновения электрон покоился; p ν и p ν " - налетающего и рассеянного фотонов, - импульс отдачи (ν

Рис. 2. Зависимость энергии рассеянного фотона E " γ от угла рассеяния ϑ (для удобства изображена только верхняя половина симметричной кривой) и энергии электрона отдачи E e от угла вылета φ (нижняя половина кривой). Величины, относящиеся к одному акту рассеяния, помечены одинаковыми цифрами. Векторы, проведённые из точки О, в которой произошло столкновение фотона энергии E γ с покоящимся электроном, до соответствующих точек этих кривых, изображают состояние частиц после рассеяния: величины векторов дают энергию частиц, а углы, которые образуют векторы с направлением падающего фотона, определяют угол рассеяния фотона ϑ и угол вылета электрона отдачи φ. (График вычерчен для случая рассеяния «жёстких» рентгеновских лучей с длиной волны hc/E γ = λ 0 =0,024&ARING;.

Рис. 3. График зависимости полной интенсивности комптоновского рассеяния σ от энергии фотона E γ (в единицах полной интенсивности классич. рассеяния); стрелкой указана энергия, при которой начинается рождение электрон-позитронных пар.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Комптона эффект" в других словарях:

- (комптон эффект), упругое рассеяние эл. магн. излучения на свободных (или слабо связанных) эл нах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн рентгеновского и g излучений. Открыт в 1922 амер.… … Физическая энциклопедия

Открытое А. Комптоном (1922) упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны l. Комптона эффект противоречит классической теории,… … Большой Энциклопедический словарь

Квантовая механика Принцип неопределённости Введение... Математическая формулировка... Основа … Википедия

Открытое А. Комптоном (1922) упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны λ. Комптона эффект противоречит классической теории,… … Энциклопедический словарь

Изменение длины волны, сопровождающее рассеяние пучка рентгеновских лучей в тонком слое вещества. Явление было известно еще за несколько лет до работы А. Комптона, который опубликовал в 1923 результаты тщательно выполненных экспериментов,… … Энциклопедия Кольера

- (А. Н. Compton, 1892 1962, амер. физик) рассеяние энергии электромагнитного излучения на свободных или слабо связанных электронах; К. э. обусловливает ослабление рентгеновского или гамма излучения при прохождении через ткани организма … Большой медицинский словарь

Открытое А. Комптоном (1922) упругое рассеяние зл. магн. излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны Л. К. э. противоречит классич. теории, согласно к рой при… … Естествознание. Энциклопедический словарь Естествознание. Энциклопедический словарь