Эффектом Комптона называется явление упругого рассеяния фотонов рентгеновского излучения на свободных и слабо связанных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны излучения :

 = 2_c sin²/2. (2.7.15)

Здесь  – угол рассеяния, _c= h/mc = 0,243 нм – комптоновская длина волны электрона. Увеличение длины волны излучения объясняется тем, что фотон при рассеянии передает электрону часть своей энергии и импульса.

Эффект Комптона объясняется только квантовыми свойствами электромагнитного излучения.

Контрольные вопросы

1. Какое колебание называется гармоническим? Запишите уравнение гармонического колебания и дайте определения параметров колебаний

2. Что такое волны? Запишите уравнение волны и поясните смысл входящих в уравнение физических величин.

3. Какие типы волны Вы знаете?

4. Что такое электромагнитные волны? Опишите шкалу электромагнитных волн.

5. Какие явления подтверждают волновую природу света? Кратко опишите эти явления.

6. Где применяется явления интерференции и дифракции?

7. Почему все источники излучения (кроме лазеров) излучают естественный, а не поляризованный свет? Почему излучение всех источников (кроме лазеров) оказывается некогерентным?

8. Какие явления подтверждают корпускулярную природу света?

9. Какое излучение называется тепловым? Сформулируйте законы теплового излучения.

10. В чем заключается гипотеза М. Планка?

11. Что такое фотоэффект? Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Чем объясняется существование красной границы фотоэффекта?

12. Какими свойствами обладают фотоны?

13. Запишите закон сохранения энергии для эффекта Комптона. Объясните факт увеличения длины волны рассеянного фотона.

2.8 Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

2.8.1 Корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения

Мы рассмотрели ряд явлений, связанных с электромагнитным излучением. В явлениях интерференции, дифракции, поляризации электромагнитное излучение ведет себя как волна. С другой стороны, тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона служат убедительным доказательством того, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов. Давление света и преломление света одинаково хорошо объясняются как квантовой, так и волновой теориями. Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств – непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

Корпускулярные свойства света – энергия Е и импульс p – связаны с его волновыми свойствами – частотой  (длиной волны λ), как было показано ранее (2.1.7), соотношениями Е=h и p=h/с= h/λ.

Свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет обладает корпускулярными и волновыми свойствами одновременно и обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, а корпускулярные – в процессах его взаимодействия с веществом. Энергия и импульс фотона уменьшаются с увеличением длины волны (уменьшением частоты), поэтому длинноволновое излучение обнаруживает преимущественно волновые свойства. Наоборот, коротковолновое излучение, обладающее значительными энергией и импульсом фотонов, труднее обнаруживает волновые свойства и проявляет преимущественно свойства корпускулярные. Например, дифракция рентгеновских лучей наблюдается только на пространственных решетках – кристаллах, имеющих расстояние между атомами порядка 10^–10 м.

Взаимосвязь двойственных корпускулярно-волновых свойств электромагнитного излучения можно объяснить, используя статистический подход к рассмотрению оптических явлений. Дифракционная картина возникает вследствие различной вероятности попадания фотонов в различные точки экрана. Облученность любой точки экрана пропорциональна вероятности попадания в эту точку фотонов. С другой стороны, по волновой теории, облученность экрана пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.