Учебник. Эффект Комптона *)

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, в 1922 г. получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона. 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 λ₀, 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: $\Delta \lambda =\lambda -{\lambda }_0=2\Lambda {sin}^2\frac{\theta }{2}$ где Λ = 2,43ċ10^–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 λ₀. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Схема эксперимента Комптона

На рис. 5.3.2 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Спектры рассеянного излучения

Объяснение эффекта Комптона на основе квантовых представлений о природе излучения было дано в 1923 году независимо друг от друга А. Комптоном и П. Дебаем. 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 E₀ = hν₀ и импульсом p₀ = hν₀ / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна $E_{{\mathrm{e}}_0}=m{c}^2\mathrm{. }$ Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hν / c, а его энергия E = hν < E₀. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения, в соответствии с релятивистской формулой (см. § 4.5), становится равной $E_{\mathrm{e}}=\sqrt{p_{\mathrm{e}}^2{c}^2+m^2{c}^4}\mathrm{,}$ где p_e – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде $E+E_{{\mathrm{e}}_0}=E+E_{\mathrm{e}}$ или $h{\nu }_0+m{c}^2=h\nu +\sqrt{p_{\mathrm{e}}^2{c}^2+m^2{c}^4}\mathrm{.}$

Закон сохранения импульса ${\overrightarrow{p}}_0=\overrightarrow{p}+{\overrightarrow{p}}_{\mathrm{e}}$ можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 5.3.3): $p_{\mathrm{e}}^2={\left(\frac{h{\nu }_0}{c}\right)}^2+{\left(\frac{h\nu }{c}\right)}^2-2\frac{h^2}{c^2}{\nu }_0\nu cos\theta \mathrm{.}$

Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины p_e можно получить mc²(ν₀ – ν) = hν₀ν(1 – cos θ).

Переход от частот к длинам волн $\mathrm{(}{\nu }_0=\frac{c}{{\lambda }_0}\mathrm{, }$$\mathrm{ \nu }=\frac{c}{\lambda }\mathrm{)}$ приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента: $\Delta \lambda =\lambda -{\lambda }_0=\frac{h}{mc}\mathrm{(}1-\mathrm{cos }\theta \mathrm{)}=2\frac{h}{mc}{\mathrm{ sin}}^2\frac{\theta }{2}\mathrm{.}$

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: $\Lambda =\frac{h}{mc}=\mathrm{2,426}\mathrm{ċ}{10}^{\mathrm{-}3}\mathrm{ нм.}$

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ₀. 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 λ₀ падающего излучения.