КОМПТОНА ЭФФЕКТ
комптонэффект,
упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах,
сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения
малых длин волн - рентгеновского и гамма-излучения. В К. э. впервые
во всей полноте проявились корпускулярные свойства излучения.
К. э. открыт в 1922 амер. физиком
А. Комптоном, обнаружившим, что рассеянные в парафине рентгеновские
лучи имеют большую длину волны, чем падающие. Классич. теория не могла
объяснить такого сдвига длины волны. Действительно, согласно классич. электродинамике,
под
действием периодического электрич. поля электромагнитной (световой)
волны
электрон должен колебаться с частотой, равной частоте поля, и, следовательно,
излучать вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Т. о., при
"классич." рассеянии (теория к-рого была дана англ, физиком Дж. Дж. Томсоном
и
к-рое поэтому наз. "томсоновским") длина световой волны не меняется.
Первоначальная теория К. э. на основе
Рис. 1. Упругое столкновение фотона
Фотон, столкнувшись с электроном,
Совместное решение ур-ний, выражающих
Здесь лямбда- длина волны
Рис. 2. Зависимость энергии рассеянного
Из тех же ур-ний можно получить выражения
Опыт подтвердил все теоретич. предсказания.
В реальных опытах по рассеянию фотонов
Движение электронов в атомах приводит
Рассмотренная упрощённая теория К.
Рис. 3. График зависимости полной
Комптоновское рассеяние широко используется
К. э. возможен не только на электронах,
Двойной К. э. <- образование
Обратный комптон-эффект. Если электроны,
Лит.: Б о р н М., Атомная
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
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
квантовых представлений была дана А. Комптоном и независимо П. Дебаем.
По
квантовой теории световая волна представляет собой поток световых квантов
- фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию E
- hc/X и импульс р
Планка, a n - единичный вектор в направлении распространения волны (индекс
у
означает
фотон). К. э. в квантовой теории выглядит как упругое столкновение
двух частиц - налетающего фотона и покоящегося электрона. В каждом таком
акте столкновения соблюдаются законы сохранения энергии и импульса.
и электрона в Комптона эффекте. До столкновения электрон покоился; Ру
и
Р'
импульс электрона отдачи (v-его скорость), о - угол рассеяния фотона,
ф - угол вылета электрона отдачи относительно направления падающего фотона.
передаёт ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения
(рассеивается); уменьшение энергии фотона и означает увеличение
длины волны рассеянного света. Электрон, ранее покоившийся, получает от
фотона энергию и импульс и приходит в движение - испытывает отдачу. Направление
движения частиц после столкновения, а также их энергии определяются законами
сохранения энергии и импульса (рис. 1).
равенства суммарной энергии и суммарного импульса частиц до и после столкновения
(в предположении, что электрон до столкновения покоился), даёт для
сдвига длины световой волны ДА. формулу Комптона:
рассеянного света, О - угол рассеяния фотона, а Х
= 2,426- 10-10см = 0.024А - т. н. комптоновская длина
волны электрона (т - масса электрона). Из формулы Комптона следует,
что сдвиг длины волны ДХ не зависит от самой длины волны падающего света
л. Он определяется лишь углом рассеяния фотона в и максимален при в = 180°,
т. е. при рассеянии назад: AХ макс. = 2Xо.
фотона E от угла рассеяния j (для удобства изображена только верхняя
половина симметричной кривой) и энергии электрона отдачи Ee от угла
вылета Ф (нижняя половина кривой). Величины, относящиеся к одному
акту рассеяния, помечены одинаковыми цифрами. векторы, проведённые из точки
О, в к-рои произошло столкновение фотона энергии EY с покоящимся электроном,
до соответствующих точек этих кривых, изображают состояние частиц после
рассеяния: величины векторов дают энергию частиц, а углы, которые образуют
векторы с направлением падающего фотона, определяют угол рассеяния фотона
w и угол вылета электрона отдачи ф. (График вычерчен для случая рассеяния
"жестких" рентгеновских лучей с длиной волны hc/e
для энергии Ee, электрона отдачи ("комптоновского" электрона) в
зависимости от угла его вылета ф. На рис. 2 графически представлена зависимость
энергии рассеянного фотона E'
всегда имеют составляющую скорости по направлению движения падающего фотона
(т. е. ф не превышает 90°).
Т. о., была экспериментально доказана правильность корпускулярных представлений
о механизме К. э. и тем самым правильность исходных положений квантовой
теории.
веществом электроны не свободны, а связаны в атомах. Если фотоны обладают
большой энергией по сравнению с энергией связи электронов в атоме (фотоны
рентгеновского и у-излучения), то электроны испытывают настолько
сильную отдачу, что оказываются выбитыми из атома. В этом случае рассеяние
фотонов происходит как на свободных электронах. Если же энергия фотона
недостаточна для того, чтобы вырвать электрон из атома, то фотон обменивается
энергией и импульсом с атомом в целом. Т. к. масса атома очень велика (по
сравнению с эквивалентной массой фотона, равной, согласно относительности
теории, Eу/с2), то отдача практически отсутствует;
поэтому рассеяние фотона произойдёт без изменения его энергии, т. е. без
изменения длины волны (как говорят, когерентно). В тяжёлых атомах
слабо связаны лишь периферич. электроны (в отличие от электронов, заполняющих
внутренние оболочки атома) и поэтому в спектре рассеянного излучения
присутствует как смещённая, комптоновская, линия от рассеяния на периферич.
электронах, так и несмещённая, когерентная, линия от рассеяния на атоме
в целом. С увеличением атомного номера элемента (т. е. заряда ядра)
энергия
связи электронов увеличивается, и относительная интенсивность комптоновской
линии падает, а когерентной линии - растёт.
к уширению комптоновской линии рассеянного излучения. Это объясняется тем,
что для движущихся электронов длина волны падающего света кажется неск.
изменённой, причём величина изменения зависит от величины и направления
скорости движения электрона (см. Доплера эффект). Тщательные измерения
распределения интенсивности внутри комптоновской линии, отражающего распределение
электронов рассеивающего вещества по скоростям, подтвердили правильность
квантовой теории, согласно к-рой электроны подчиняются Ферми - Дирака
статистике.
э. не позволяет вычислить все характеристики комптоновского рассеяния,
в частности интенсивность рассеяния фотонов под разными углами. Полную
теорию К. э. даёт квантовая электродинамика. Интенсивность комптоновского
рассеяния зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего
излучения. В угловом распределении рассеянных фотонов наблюдается асимметрия:
больше фотонов рассеивается по направлению вперёд, причём эта асимметрия
увеличивается с энергией падающих фотонов. Полная интенсивность комптоновского
рассеяния уменьшается с ростом энергии первичных фотонов (рис. 3); это
означает, что вероятность комптоновского рассеяния фотона, пролетающего
через вещество, убывает с его энергией. Такая зависимость интенсивности
от Ey определяет место К. э. среди др. эффектов взаимодействия излучения
с веществом, ответственных за потери энергии фотонами при их пролёте через
вещество. Напр., в свинце (см. рис. 2 в ст. Гаммаизлучение) К. э.
даёт главный вклад в энергетич- потери фотонов при энергиях порядка 1-10
Мэв
(
в более лёгком элементе - алюминии - этот диапазон составляет 0,1-30 Мэв);
ниже этой области с ним успешно конкурирует фотоэффект, а выше -
рождение пар (см. Аннигиляция и рождение пар).
интенсивности комптоновского рассеяния о от энергии фотона E
энергия, при которой начинается рождение электрон-позитронных пар.
в исследованиях y-излучения ядер, а также лежит в основе принципа действия
нек-рых гамма-спектрометров.
но и на др. заряженных частицах, напр, на протонах, но из-за большой массы
протона отдача его заметна лишь цри рассеянии фотонов очень высокой энергии.
двух рассеянных фотонов вместо одного первичного при его рассеянии на свободном
электроне. Существование такого процесса следует из квантовой электродинамики;
впервые он наблюдался <в 1952. Его вероятность примерно в 100 раз
меньше вероятности обычного К. э.
на к-рых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими
(т. е. движутся со скоростями, близкими к скорости света), то при
упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, т. е. энергия
(и импульс) фотонов будет увеличиваться за счёт энергии (и импульса)
электронов.
Это явление наз. обратным К. э. Обратный К. э. часто привлекают для объяснения
механизма излучения космич. рентгеновских источников, образования рентгеновской
компоненты фонового галактич. излучения, трансформации плазменных волн
в электромагнитные волны высокой частоты.
физика, пер. с англ., 3 изд., М., 1970; Г а и т л е р В., Квантовая теория
излучения, [пер. с англ.], М., 1956. В. П. Павлов.