Эффект Комптона |
Лекция 13 (27.11.13) |
Концепция квантов поглощения, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, была подтверждена в опытах А.Комптона (1922 г.).
Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового (жесткого) рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с
атомами) электронах вещества.
Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля на частоте волны и должен излучать рассеянные волны той же частоты
Результаты опытов Комптона: В рассеянном излучении кроме исходной длина волны ( 0) возникает излучение с длиной волны ' > .
Длина волны и ее интенсивность меняется от угла наблюдения .
Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии.
Эффект объясняется с позиций - фотону присущи энергия и импульс.
1
Схема эксперимента
Результаты опытов Комптона
2
Описание результатов эксперимента:
комптоновское смещение ' - не зависит от материала рассеивающего образца и длины волны падающего излучения,
определяется углом между направлениями рассеянного и падающего излучений.
с увеличением угла интенсивность смещенной компоненты растет, а несмещенной - падает.
Пример: материал - графит при различных углах рассеяния для К -линии молибдена, имеющей длину волны 0,071 нм.
3
Теория эффекта Комптона - рассеяние кванта с изменением длины волны есть результат одиночного столкновения фотона с электроном (свободным).
Энергия связь много меньше энергии фотона
При столкновение фотона со свободным электроном выполняются законы сохранения энергии и импульса.
Электрон релятивистский - процесс необходимо рассматривать на основе релятивистской динамики.
Задача. На свободный электрон с энергией покоя тс2 падает фотон с энергией и импульсом /c.
Выполняются законы сохранения энергии и импульса
После столкновения энергия фотона равна ', а энергия и импульс электрона отдачи Е' и р’
Закон сохранения энергии |
mc2 E |
или E mc2 |
4
Схема решения задачи.
5
Закон сохранения импульса
из импульсной диаграммы
|
Используя теорему cos |
|
|
|
|
|
p 2 |
/ c2 |
|
|
/ c2 |
2 / c2 |
cos |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
2 |
2 |
|
cos |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
E |
2 |
|
|
mc |
2 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
mc |
2 |
|
2 |
2 |
|
2 mc |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 mc |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Используя инвариант |
|
|
|
|
E 2 |
|
p 2c2 |
|
m2c4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
E |
2 |
|
|
mc |
2 |
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
E |
2 |
p |
2 |
c |
2 |
2 |
|
2 mc |
2 |
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
mc |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
2 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
2 |
|
cos 2 |
|
2 mc |
2 |
2 |
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mc |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 cos |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
mc2 |
|
|||||||||
Используя |
|
h |
h |
2 c |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 c |
|
2 c |
|
|
2 c 2 c 1 |
|
||||||
|
|
|
h |
|
h |
h2 |
|
|
1 |
cos |
||||||
|
|
|
mc2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 h |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mc 1 cos |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2 h |
C |
-комптоновская длина волны частицы массы m |
||||||||||||||
mc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эта постоянная одна из важнейших атомных констант.
7
хорошо согласуется с наблюдаемой на опыте зависимостью комптоновского смещения от угла рассеяния.
Наличие несмещенной компоненты обусловлено тем, что фотон налетает на внутренние электроны, а их энергия связи сравнима внутренних электронов атомов с энергией рентгеновских фотонов, и электроны не свободны упругое рассеянияе.
Эффект не наблюдается в видимой области спектра, поскольку энергия фотона видимого света сравнима с энергией связи электрона с атомом
Излучение черного тела фотоэффект и Эффект Комптона
служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов.
8
Атомная и ядерная физика |
. |
|
|
Лекция 13 (27.11.13) |
|
|
|
||
Масштабы исследований |
|
|||
Атомная физика – изучает явления и процессы, связанные с электронной оболочкой атомов. Размеры, которыми оперирует атомная физика [ м ] :
Радиус атома водорода: r ~ 10 10
Ядерная физика - изучет явления и процессы, связанные c ядром атомов.
Размеры, которыми оперирует ядерная физика [ м ] :
10 13 r 10 9
10 15 r 10 13
Радиус ядра : r ~ 10 14
Прямые измерения с такими масштабами не возможны
Структура вещества интерпретируется по его отклику на воздействие.
9
Закономерности в спектрах
Закономерности в атомных спектрах
Излучение невзаимодействующих атомов – отдельные спектральные линии.
10