7. 2. Эффект Комптона

Рассмотрим эксперимент по рассеянию рентгеновского излучения веществом. Пучок рентгеновских лучей с определенной длиной волны λ падает на кристалл и рассеивается им под разными углами (рис. 7.3).

Рис. 7.3 7.20.1

Оказывается, что в рассеянном излучении наряду с излучением с длиной волны λ (несмещенная компонента излучения) появляется рассеянное излучение с длиной волны λ^' (смещенная компонента излучения), причем λ^' > λ (рис. 7.3б).

В появлении смещенной компоненты в рассеянном веществом рентгеновском излучении и заключается эффект Комптона. Причем оказалось, что λ^' не зависит от природы рассеивающего вещества и рассчитывается по формуле

_(7.1)

_{Входящая в выражение (7.1) величина λС называется комптоновской длиной волны:}

_(7.2)

_{Попытка объяснить появление смещенной компоненты при рассеянии рентгеновского излучения на веществе с помощью волновых представлений не увенчалась успехом. Для успешного объяснения рассматриваемого явления использовали представление о том, что как и при фотоэффекте, электромагнитное излучении (рентгеновские лучи) проявляет свойство частиц, то есть оно представляет собой поток частиц с энергией}

_{и импульсом}

_{Используя законы сохранения энергии и импульса при рассеянии фотонов на свободных и слабо связанных электронах (электроны у которых энергия связи с атомом много меньше энергии фотона) (рис. 7.3в) и было получено выражение (7.1).}

_{Несмещенная компонента возникает при рассеянии фотонов на сильно связанных с атомами электронах, для них энергия связи с атомом значительно превосходит энергию налетающего фотона. Поэтому процесс рассеяния фотона будет происходить на атомах, что приводит к существенному уменьшению различия между длинами волн} λ^' и λ – в этом случае в формулу (7.2) войдет не масса покоя электрона, а масса атома. Такое различие в длинах волн в эффекте Комптона не обнаруживается.

Относительно интенсивностей смещенной и несмещенной компонент отметим следующее. Интенсивность смещенной компоненты будет больше, чем интенсивность несмещенной компоненты для элементов с малым номером в таблице Менделеева (см. рис. 7.1б). Это связано с тем, что для атома с малым атомным номером преобладают электроны слабо связанные с атомами, поэтому рассеяние фотонов идет в основном на свободных электронах. Для атомов с большими атомными номерами преобладает число электронов, сильно связанных с атомами, и поэтому интенсивность несмещенной компоненты будет больше (рис. 7.3б).

7.3. Природа электромагнитного излучения

Итак, электромагнитное излучение в одних опытах проявляет волновые свойства (интерференция, дифракция и поляризация сета), а в других – корпускулярные свойства (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона). Возникает вопрос: что представляет собой электромагнитное излучение? С современной точки зрения это поток особых частиц, называемых фотонами. Они обладают корпускулярно-волновым дуализмом, сочетают в себе свойства и частиц, и волны одновременно. Остановимся на характеристике корпускулярных параметров электромагнитного излучения. Энергия фотона _{. Из теории относительности мы знаем, что полная энергия частицы из этого соотношения следует, что Масса фотонов имеет конечное значение. Чтобы выполнялось условие конечности, масса покоя этой частицы должна быть равна нулю и ее скорость распространения v должна быть равна скорости света в вакууме (v = c).}

_{Следовательно, фотоны это частицы у которых масс покоя равна нулю, они могут распространяться только со скорость света в вакууме. Импульс фотона}

_(7.3)