Комптона ефект
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Комптона ефект

Комптона ефект, комптон-ефект, пружне розсіяння електромагнітного випромінювання на вільних електронах, що супроводиться збільшенням довжини хвилі; спостерігається при розсіянні випромінювання малих довжин хвиль — рентгенівського і гамма-випромінювання . В До. е. вперше у всій облиште виявилися корпускулярні властивості випромінювання.

загрузка...

  До. е. відкритий в 1922 американським фізиком А. Комптоном, що виявив, що розсіяні в парафіні рентгенівські промені мають велику довжину хвилі, чим падаючі. Класична теорія не могла пояснити такого зрушення довжини хвилі. Дійсно, згідно класичної електродинаміці, під дією періодичного електричного поля електромагнітної (світловий) хвилі електрон повинен вагатися з частотою, рівній частоті поля, і, отже, випромінювати вторинні (розсіяні) хвилі тієї ж частоти. Таким чином, при «класичному» розсіянні (теорія якого була дана англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і яке тому називають «томсоновським») довжина світлової хвилі не міняється.

  Первинна теорія До. е. на основі квантових вистав була дана А. Комптоном і незалежно П. Дебаєм . По квантовій теорії світлова хвиля є потоком світлових квантів — фотонів. Кожен фотон має певну енергію E g = hu = hcl l і імпульс p g = ( h/ l) n, де l — довжина хвилі падаючого світла ( u — його частота), з — швидкість світла, h — постійна Планка, а n — одиничний вектор у напрямі поширення хвилі (індекс в означає фотон). До. е. у квантовій теорії виглядає як пружне зіткнення двох часток — налітаючого фотона і електрона, що покоїться. У кожному такому акті зіткнення дотримуються закони збереження енергії і імпульсу. Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії і імпульсу і змінює напрям руху (розсівається); зменшення енергії фотона і означає збільшення довжини хвилі розсіяного світла. Електрон, що раніше покоївся, отримує від фотона енергію і імпульс і приходить в рух — випробовує віддачу. Напрям руху часток після зіткнення, а також їх енергії визначаються законами збереження енергії і імпульсу ( мал. 1 ).

  Спільне вирішення рівнянь, що виражають рівність сумарної енергії і сумарного імпульсу часток до і після зіткнення (у припущенні що електрон до зіткнення покоївся), дає для зрушення довжини світлової хвилі Dl формулу Комптона:

  Dl= l'' — l= l про (1—cos J).

  Тут l'' — довжина хвилі розсіяного світла, J — кут розсіяння фотона, а l 0 = h/mc = 2,426·10 -10 см = 0,024 Е — так звана комптонівська довжина хвилі електрона ( т — маса електрона). З формули Комптона виходить, що зрушення довжини хвилі Dl не залежить від самої довжини хвилі падаючого світла l. Він визначається лише кутом розсіяння фотона J і максимальний при J = 180°, тобто при розсіянні назад: Dl макс.(максимальний) =2 l 0 .

  З тих же рівнянь можна отримати вирази для енергії E e електрона віддачі («комптонівського» електрона) залежно від кута його вильоту j . На графічно представлена залежність енергії розсіяного фотона   від кута розсіяння J, а також пов'язана з нею залежність E e від j. З малюнка видно, що електрони віддачі завжди мають складову швидкості по напряму руху падаючого фотона (тобто j не перевищує 90°).

  Досвід підтвердив всі теоретичні передбачення. Таким чином, була експериментально доведена правильність корпускулярних уявлень про механізм До. е. і тим самим правильність вихідних положень квантової теорії.

  В реальних дослідах по розсіянню фотонів речовиною електрони не вільні, а зв'язані в атомах. Якщо фотони володіють великою енергією в порівнянні з енергією зв'язку електронів в атомі (фотони рентгенівського і g-віпромінювання), то електрони випробовують настільки сильну віддачу, що виявляються вибитими з атома. В цьому випадку розсіювання фотонів відбувається як на вільних електронах. Якщо ж енергія фотона недостатня для того, щоб вирвати електрон з атома, то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом в цілому. Оскільки маса атома дуже велика (в порівнянні з еквівалентною масою фотона, рівною, згідно відносності теорії, E g / з 2 ), то віддача практично відсутня; тому розсіяння фотона станеться без зміни його енергії, тобто без зміни довжини хвилі (як говорять когерентно). У важких атомах слабо зв'язані лише периферичні електрони (на відміну від електронів, що заповнюють внутрішні оболонки атома) і тому в спектрі розсіяного випромінювання присутня як зміщена, комптонівська лінія від розсіяння на периферичних електронах, так і не зміщена, когерентна лінія від розсіяння на атомі в цілому. Із збільшенням атомного номера елементу (тобто заряду ядра) енергія зв'язку електронів збільшується, і відносна інтенсивність комптонівської лінії падає, а когерентній лінії — зростає.

  Рух електронів в атомах приводить до розширення комптонівської лінії розсіяного випромінювання. Це пояснюється тим, що для рухомих електронів довжина хвилі падаючого світла здається декілька зміненою, причому величина зміни залежить від величини і напряму швидкості руху електрона (див. Доплера ефект ) . Ретельні виміри розподілу інтенсивності усередині комптонівської лінії, що відображає розподіл електронів розсіюючої речовини за швидкостями, підтвердили правильність квантової теорії, згідно якої електрони підкоряються Фермі — Дираку статистиці .

  Розглянута спрощена теорія До. е. не дозволяє обчислити всі характеристики комптонівського розсіяння, зокрема інтенсивність розсіяння фотонів під різними кутами. Повну теорію До. е. дає квантова електродинаміка . Інтенсивність комптонівського розсіяння залежить як від кута розсіяння, так і від довжини хвилі падаючого випромінювання. У кутовому розподілі розсіяних фотонів спостерігається асиметрія: більше фотонів розсівається по напряму вперед, причому ця асиметрія збільшується з енергією падаючих фотонів. Повна інтенсивність комптонівського розсіяння зменшується із зростанням енергії первинних фотонів; це означає, що вірогідність комптонівського розсіяння фотона, що пролітає через речовину, убуває з його енергією. Така залежність інтенсивності від E g визначає місце До. е. серед інших ефектів взаємодії випромінювання з речовиною, відповідальних за втрати енергії фотонами при їх прольоті через речовину. Наприклад, в свинці (у статті Гамма-випромінювання ) До. е. дає головний вклад в енергетичні втрати фотонів при енергіях порядка 1—10 Мев (у легшому елементі — алюмінії — цей діапазон складає 0,1—30 Мев ); нижче за цю область з ним успішно конкурує фотоефект, а вище — народження пар (див. Анігіляція і народження пар ) .

  Комптонівське розсіяння широко використовується в дослідженнях g-віпромінювання ядер, а також лежить в основі принципу дії деяких гамма-спектрометрів .

   До. е. можливий не лише на електронах, але і на інших заряджених частках, наприклад на протонах, але із-за великої маси протона віддача його помітна лише при розсіянні фотонів дуже високої енергії.

  Подвійний До. е. — утворення двох розсіяних фотонів замість одного первинного при його розсіянні на вільному електроні. Існування такого процесу виходить з квантової електродинаміки; вперше він спостерігався в 1952. Його вірогідність приблизно в 100 разів менше вірогідності звичайного До. е.

  Зворотний комптон-ефект. Якщо електрони, на яких розсівається електромагнітне випромінювання, є релятивістськими (тобто рухаються з швидкостями, близькими до швидкості світла), то при пружному розсіянні довжина хвилі випромінювання зменшуватиметься, тобто енергія (і імпульс) фотонів збільшуватиметься за рахунок енергії (і імпульсу) електронів. Це явище називають зворотним До. е. Зворотний До. е. часто залучають для пояснення механізму випромінювання космічних рентгенівських джерел, утворення рентгенівської компоненти фонового галактичного випромінювання, трансформації плазмових хвиль в електромагнітні хвилі високої частоти.

  Літ.: Борн М., Атомна фізика, пер.(переведення) з англ.(англійський). 3 видавництва, М., 1970; Гайтлер Ст, Квантова теорія випромінювання, [пер. з англ.(англійський)], М., 1956.

  Ст П. Павлов.

Мал. 3. Графік залежності повної інтенсивності комптонівського розсіяння s від енергії фотона E g (у одиницях повної інтенсивності классич. розсіяння); стрілкою вказана енергія, при якій починається народження позитронних для електрона пар.

Мал. 1. Пружне зіткнення фотона і електрона в Комптон ефекті. До зіткнення електрон покоївся; p n і p n '' — налітаючого і розсіяного фотонів,   — імпульс віддачі (n
— його швидкість), розсіяння фотона, J — кут вильоту електрона віддачі відносно напряму падаючого фотона.

Мал. 2. Залежність енергії розсіяного фотона E '' g від кута розсіяння J (для зручності змальована лише верхня половина симетричної кривої) і енергії електрона віддачі E e від кута вильоту j (нижня половина кривої). Величини, що відносяться до одного акту розсіяння, помічені однаковими цифрами. Вектори, проведені з крапки Про, в якій сталося зіткнення фотона енергії E g з електроном, що покоїться, до відповідних точок цих кривих, змальовують стан часток після розсіяння: величини векторів дають енергію часток, а кути, які утворюють вектори з напрямом падаючого фотона, визначають кут розсіяння фотона J і кут вильоту електрона віддачі j. (Графік викреслений для випадку розсіяння «жорстких» рентгенівських променів з довжиною хвилі hc/ E g = l 0 =0,024Å.