vk• .com/club152685050Длинные изогнутые| vk.com/id446425943треки на изображениях соответствуют фотоэлектронам,
выбитым из атомов при поглощении рентгеновских лучей.
•Они движутся по изогнутым траекториям, взаимодействуя со многими атомами и постепенно теряя энергию.
•В конце траектории треки уплотняются и кончаются яркой точкой, поскольку сечение взаимодействия электронов с атомами растет с уменьшением энергии -- как это было показано еще в опытах Ленарда 1899-1903 гг.
•После публикации результатов Комптона Вильсон провел дополнительный анализ своих изображений и обнаружил на них два типа треков.
Ионизация, создаваемая рентгеновскими лучами во влажном воздухе (Вильсон, 1923). 15
vk• .com/club152685050Эти два типа лучше| vk.com/id446425943видны на изображениях, полученных с диафрагмированным (узким) пучком излучения при низком давлении воздуха, когда полное число треков мало.
•На приведенном ниже снимке – 4 длинных и 3 коротких трека, практически точки.
•Интерпретация: длинные треки созданы фотоэлектронами, получившими при поглощении атомом кванта излучения всю его энергию.
Короткие треки соответствуют электронам «отдачи» при комптоновском рассеянии, получившим лишь небольшую часть энергии кванта.
Ионизация воздуха, создаваемая узким пучком рентгеновских лучей (Вильсон, 1923). |
16 |
|
vk• .com/club152685050Дополнительно| vkпонизив.com/id446425943давление газа,
Вильсон получил изображения коротких треков, позволяющие установить направление вылета комптоновских электронов отдачи. Как и следовало из теории, оно преимущественно было близким к направлению распространения первичных лучей.
•Преимущественное направление вылета фотоэлектронов – перпендикулярно потоку излучения, в направлении электрического вектора.
Увеличенное изображение короткого трека (Вильсон, 1923).
•Таким образом, фотонная модель рассеяния излучения получила независимое подтверждение на основании данных, полученных до ее опубликования Комптоном – непосредственно наблюдались электроны отдачи, получающие энергию, достаточную для разрыва связи с атомом, именно из-за дискретного (не томсоновского) характера рассеяния.
vk• .com/club152685050Комптон отметил| vk.,com/id446425943что соотношение количеств треков двух типов должно отражать соотношение коэффициентов рассеяния и поглощения лучей.
•Совместно с А. Саймоном, он провел дополнительные эксперименты с камерой Вильсона, где определял количество «длинных» и «коротких» электронных треков при различных напряжениях на рентгеновской трубке.
•Полученная статистика действительно хорошо соответствовала отношению коэффициентов поглощения и рассеяния рентгеновских лучей разных длин волн.
•Помимо этого, Комптон и Саймон наблюдали
несколько событий фотопоглощения кванта рассеянного излучения – косвенно, по трекам электронов («1» и «2»), один из которых начинался вне первичного потока рентгеновских лучей. →
•Это позволило определить углы вылета
рассеянного фотона и электрона для одного и
того же акта рассеяния.
•Эти углы соответствовали фотонной теории (законам сохранения).
К эксперименту Комптона и
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
• Результаты Комптона вызвали оживленные дискуссии.
• В частности, отмечалось, что при демонстрации корпускулярных свойств рентгеновского излучения Комптон использовал явление брэгговской дифракции на кристалле (в рентгеновском спектрометре), имеющее однозначно волновой характер. Одно и то же излучение сначала проявляло себя как поток частиц, а затем – как электромагнитная волна.
• Таким образом, в физическом описании свойств электромагнитного излучения явно имелись противоречия, для разрешения которых требовалась более общая теория – квантовая электродинамика – объединяющая волновую и корпускулярную модели как предельные случаи.
• Временное решение: концепция корпускулярно-волнового (квантововолнового) дуализма электромагнитного излучения – его способности проявлять себя, в зависимости от условий, либо в виде классической волны, либо в виде потока классических частиц.
vk4..com/club1526850504. Экспериментальные| vk.com/id446425943подтверждения фотонной теории. Интерпретация
волновых свойств электромагнитного излучения в фотонной теории
•После экспериментов Комптона возможность непосредственного обнаружения квантов излучения стала исследоваться многими физиками. Фотонная теория получила многочисленные подтверждения. К фотону стали относиться как к реально существующей частице.
•Большой вклад внес В. Боте, разработавший и использовавший «метод совпадений», широко применявшихся впоследствии в физике элементарных частиц.
•Два эксперимента, проведенных Боте в 19241925 гг., считаются классическими.
Walther Wilhelm Georg Bothe
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943→
• Схема опыта Боте:
P – ввод рентгеновского излучения;
Z1 и Z2 – два счетчика Гейгера;
F – тонкая фольга.
•Рентгеновское излучение небольшой интенсивности направлялось «с торца» на тонкую
железную или медную фольгу, подвешенную между двумя счетчиками Гейгера.
•Первичное излучение было достаточно жестким для возбуждения характеристического излучения материала фольги.
•Если бы характеристическое излучение распространялось в виде сферических волн, можно было бы ожидать одновременных срабатываний счетчиков – в силу симметрии системы.
•В действительности же счетчики срабатывали независимо друг от друга. Число одновременных срабатываний не превышало ожидаемого числа случайных совпадений.
•Вывод: характеристическое излучение распространяется в виде направленных
фотонов, попадающих либо в один, либо в другой счетчик. |
2 |
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943→
• Схема опыта Боте и Гейгера:
• Опыт имел целью установление одновременности появления фотона и электрона отдачи при комптоновском рассеянии.
• Узкий пучок рентгеновских лучей проходил в атмосфере водорода между двумя счетчиками Гейгера.
• Водород слабо поглощает рентгеновские лучи, но достаточно сильно их рассеивает. Содержащий его счетчик слабо реагирует на рентгеновские лучи, но регистрирует электроны отдачи.
• Второй счетчик был заполнен воздухом, а вход его закрыт тонкой платиновой фольгой. Электроны отдачи в него не попадают. Он может сработать (с некоторой, небольшой вероятностью) при попадании в него рассеянного фотона.
• В идеальных условиях, если модель рассеяния Комптона верна, счетчики всегда должны срабатывать одновременно.
• В реальности это было не совсем так. Однако число совпадений было слишком большим,
чтобы их можно было считать случайными (оценка такой вероятности авторами опыта
1:150 000). Фотонная модель комптоновского рассеяния получила подтверждение. |
3 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
• В опыте, проведенном в 1922-1925 гг. А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравовым, для регистрации фотонов рентгеновского излучения был использован иной принцип.
•Схема опыта Иоффе и Добронравова: →
Эбонитовая пластина с каналами; R – откачка;
L – ввод УФ излучения через кварцевое окошко; K – алюминиевая проволока (фотокатод);
A – алюминиевая фольга 5 мкм;
A-B – конденсатор Иоффе-Милликена;
W -- удерживаемая в нем пылинка висмута.
•Алюминиевая проволока в вакууме освещалась слабым потоком УФ излучения и эмитировала ~1000 электронов в секунду.
•Электроны ускорялись напряжением 12 кВ и бомбардировали Al фольгу, генерируя соответствующее количество импульсов (фотонов ?) рентгеновского излучения.
•Под действием излучения пылинка висмута, уравновешенная в конденсаторе, выходила из равновесия (изменяла заряд) приблизительно 1 раз в 30 минут. 4
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
• Согласно волновой теории, за эти 30 минут через пылинку проходило около 2 миллионов рентгеновских импульсов. Неясно, почему лишь один из них изменял заряд пылинки.
• В фотонной модели, Al фольга излучает фотоны в случайных направлениях, всего около 1000 фотонов в секунду. Лишь немногие из них попадали в пылинку, имевшую размер ~3 мкм. Геометрические оценки показывают, что попадания
должны были случаться как раз приблизительно 1 раз в 30 минут.
• В дальнейшем были разработаны методы регистрации отдельных фотонов и для оптического диапазона.
• Чаще всего используется устройство, называемое фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).
