Ефект Комптону та його елементарна теорія - Студопедія
Найбільш повно корпускулярні властивості світла проявляються у ефекті Комптону. Американський фізик А. Комптон (1892-1962), досліджуючи в 1923 р. розсіювання монохроматичного рентгенівського випромінювання речовинами з легкими атомами (парафін, бор), виявив, що у складі розсіяного випромінювання поряд з випромінюванням початкової довжини хвилі спостерігається також більш довго. Досліди показали, що різниця ∆λ=λ'-λне залежить від довжини хвилі λ падаючого випромінювання та природи розсіюючої речовини, а визначається тільки кутом розсіюванняθ:
(5.1)
λ' - довжина хвилі розсіяного випромінювання, λс -комптонівська довжина хвилі.
Ефектом Комптону називається пружне розсіювання короткохвильового електромагнітного випромінювання (рентгенівського та γ-випромінювань) на вільних (або слабозв'язаних) електронах речовини, що супроводжується збільшенням довжини хвилі. Цей ефект не укладається в рамки хвильової теорії, згідно з якою довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.
Пояснення ефекту Комптон дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо вважати, як це робить квантова теорія, що випромінювання має корпускулярну природу, тобто є потік фотонів, то ефект Комптона - результат пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами речовини (для легких атомів електрони слабо пов'язані з ядрами атомів, тому їх можна вважати вільними). У процесі цього зіткнення фотон передає електрону частину своїх енергії та імпульсу відповідно до законів їх збереження.
Розглянемо пружне зіткнення двох частинок (мал.4) - налітає фотона, що володіє імпульсом pγ = hv / cі енергією ξγ = hv, спокійним вільним електроном (енергія спокою W0 = m0c 2; m0 - маса спокою електрона). Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії та імпульсу та змінює напрямок руху (розсіюється). Зменшення енергії фотона означає збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання. При кожному зіткненні виконуються закони збереження енергії та імпульсу. Відповідно до закону збереження енергії,
(5.2)
а згідно із законом збереження імпульсу,
(5.3)
де W0 = m0c 2 - енергія електрона до зіткнення, ξγ = hv - енергія налітає фотона, - енергія електрона після зіткнення (використовується релятивістська формула, так як швидкість електрона віддачі в загальному випадку значна ε'γ = hv ' - енергія розсіяний. у вираз (5.2) значення величин і представивши (5.3) відповідно до рис.3, отримаємо
(5.4)
 |
(5.5)
Вирішуючи рівняння (206.4) та (206.5) спільно, отримаємо
Оскільки ν=c/λ, ν'=c/λ' та ∆λ=λ'-λ, отримаємо (5.6)
(5.6)
Вираз (5.6) є нічим іншим, як отримана експериментально Комптоном формула (5.1). Підстановка у ній значеньh, mQісдає комптонівську довжину хвилі електрона λс=h/(m0c)=2,426 пм.
Наявність у складі розсіяного випромінювання несмещенной лінії (випромінювання початкової довжини хвилі) можна пояснити так. При розгляді механізму розсіювання передбачалося, що фотон зменшується лише з вільним електроном. Однак якщо електрон сильно пов'язаний з атомом, як це має місце для внутрішніх електронів (особливо у важких атомах), фотон обмінюється енергією та імпульсом з атомом в цілому. Оскільки маса атома порівняно змасою електрона дуже велика, то атома передається лише нікчемна частина енергії фотона. Тому в даному випадку довжина хвилі λlрозсіяного випромінювання практично не відрізнятиметься від довжини хвилі λпадаючого випромінювання.
З наведених міркувань випливає також, що ефект Комптона не може спостерігатися у видимій області спектру, оскільки енергія фотона видимого світла можна порівняти з енергією зв'язку електрона з атомом, при цьому навіть зовнішній електрон не можна вважати вільним.
Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, а й на інших заряджених частках, наприклад протонах, проте через велику масу протона його віддача «проглядається» лише при розсіянні фотонів дуже високих енергій.
Як ефект Комптону, і фотоефект з урахуванням квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона із вільним електроном, а фотоефект - із зв'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільним електроном не може статися поглинання фотона, оскільки це суперечить законам збереження імпульсу і енергії. Тому при взаємодії фотонів із вільними електронами може спостерігатися лише їхнє розсіювання, тобто ефект Комптону.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: