§ 4.4. Эффект Комптона

Изменение направления распространения излучения в результате его взаимодействия с веществом называется рассеянием. Согласно классической электродинамике, электрическое поле световой волны вызывает колебание электрона вещества с частотой волны, в результате электрон испускает в разных направлениях волны тех же частот. В 1923 г. Комптон, исследуя рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами, обнаружил, что рассеяние увеличивает длину волны в зависимости от угла рассеяния. На рис. 4.7 показана схема экспериментов Комптона. Излучение из рентгеновской трубки R проходит через диафрагму D и попадает на рассеивающее вещество P. Спектрометр S измеряет длину волны излучения, рассеянного по отношению к падающему под любым углом θ. Типичные результаты опытов представлены на рис. 4.8. Кривые показывают интенсивность излучения для разных углов θ. Во вторичном излучении помимо излучения на той же длине волны λ₀, что и падающее, наблюдается излучение на длине волны λ. Эмпирическая формула эффекта Комптона имеет вид:

∆λ=Λ_к(1-сos θ)=2 Λ_кsin²(θ/2) (4.9)

Здесь ∆λ=λ-λ₀, Λ_к=0, 0242^.10^-10 м. Максимальное изменение длины волны в эффекте Комптона около 0,05^.10^-10м, что составляет около 10^-4% длины волны видимого света, и в опыте его зарегистрировать невозможно. Для коротковолнового рентгеновского излучения, как показывает опыт, такое изменение можно зарегистрировать..

Механизм эффекта Комптона объясняется с позиций квантового характера излучения. Фотон, представляющий собой частицу (корпускулу), обладает энергией, массой и импульсом. Его взаимодействие со свободным электроном рассеивающего вещества подобно столкновению двух биллиардных шаров. При упругом ударе выполняются законы сохранения энергии и импульса системы взаимодействующих тел. На рис. 4.9 показан импульс фотона, сталкивающегося с покоящимся электроном, изображенным желтым кружком. В результате столкновения фотон рассеялся на угол θ, его импульс теперь . Электрон в соответствии с законом сохранения импульса приобрел импульс , его называют импульсом отдачи. Фотон передал электрону часть своей энергии, что может произойти только за счет уменьшения его частоты (см. формулу 4.6), соответственно, увеличения длины волны. Теория дает такую же формулу (4.9), как и опыт, причем, оказывается, что Λ_к = (h – постоянная Планка, m₀ – масса покоя электрона, c – скорость света). Эту физическую константу называют комптоновской длиной волны электрона. Заметим, что эффект Комптона вызван взаимодействием света со свободными или слабо связанными с атомами вещества электронами. Если же фотон взаимодействует со связанным с атомом электроном, то в этом случае он сталкивается с массивным атомом и упруго отскакивает от него, как мячик от стенки, практически не изменяя своей энергии. В веществе фотоны сталкиваются как со свободными, так и со связанными электронами. В результате в рассеянном излучении присутствуют обе компоненты длины волны: λ₀ и λ (рис. 4.8).

В эффекте Комптона отчетливо проявились корпускулярные свойства излучения.