Зворотний ефект Комптону - Дія Комптон-ефекту
Цікаво, що виявлено і так званий "зворотний ефект Комптона", коли низько енергійні фотони збільшують свою енергію, розсіюючись на гарячих електронах. Їм пояснюють деякі зміни у спектрі реліктового випромінювання. З 1963 метод зворотного комптонівського розсіювання використовується для отримання монохроматичних г-пучків високих енергій (до декількох ГеВ) шляхом розсіювання лазерних фотонів на електронах (позитронах), що циркулюють в накопичувачах. Пучок таких фотонів корисний у дослідженні ядер. Відомий процес пружного розсіювання г-квантів на протоні.
При розсіюванні на вільних електронах фотони втрачають енергію, причому кількість втраченої енергії залежить від кута розсіювання.
Комптон-ефект, пружне розсіювання електромагнітного випромінювання на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі; спостерігається при розсіянні випромінювання малих довжин хвиль - рентгенівського та гамма-випромінювання. У До. е. вперше у всій повноті виявилися корпускулярні властивості випромінювання.
е.. відкритий в 1922 американським фізиком А. Комптоном, який виявив, що розсіяні в парафіні рентгенівські промені мають більшу довжину хвилі, ніж падіння. Класична теорія не могла пояснити такого зсуву довжини хвилі. Дійсно, згідно з класичною електродинамікою, під дією періодичного електричного поля електромагнітної (світлової) хвилі електрон повинен коливатися з частотою, що дорівнює 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 тому називають «томсонівським») довжина світлової хвилі не змінюється.
Початкова теорія До. на основі квантовихуявлень була дана А. Комптоном та незалежно П. Дебаєм. По квантової теорії світлова хвиля є потік світлових квантів - фотонів. Кожен фотон має певну енергію і довжина хвилі падаючого світла його частота), з - швидкість світла, h - постійна Планка, а n - одиничний вектор у напрямку поширення хвилі (індекс означає фотон). е.. в квантової теорії виглядає як пружне зіткнення двох частинок - фотона, що налітає, і електрона, що спочиває. У кожному такому акті зіткнення дотримуються закони збереження енергії та імпульсу. Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії та імпульсу та змінює напрямок руху (розсіюється); зменшення енергії фотона і означає збільшення довжини хвилі розсіяного світла. Електрон, який раніше спочивав, отримує від фотона енергію і імпульс і починає рухатися - відчуває віддачу. Напрямок руху частинок після зіткнення, а також їхньої енергії визначаються законами збереження енергії та імпульсу (рис. 1).
Досвід підтвердив усі теоретичні передбачення. Таким чином, була експериментально доведена правильність корпускулярних уявлень про механізм До. і цим правильність вихідних положень квантової теорії.
У реальних дослідах розсіяння фотонів речовиною електрони не вільні, а пов'язані в атомах. Якщо фотони мають велику енергію в порівнянні з енергією зв'язку електронів в атомі (фотони рентгенівського і ?-випромінювання), то електрони відчувають настільки сильну віддачу, що виявляються вибитими з атома. І тут розсіювання фотонів відбувається як у вільних електронах. Якщо ж енергія фотона недостатня у тому, щоб вирвати електрон з атома, то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом загалом. Оскільки маса атома дуже велика (запорівняно з еквівалентною масою фотона, що дорівнює відповідно до відносності теорії), то віддача практично відсутня; тому розсіювання фотона відбудеться без зміни енергії, тобто без зміни довжини хвилі (як кажуть когерентно). У важких атомах слабо пов'язані лише периферичні електрони (на відміну від електронів, що заповнюють внутрішні оболонки атома) і тому в спектрі розсіяного випромінювання є як зміщена, комптонівська лінія від розсіювання на периферичних електронах, так і не зміщена, когерентна лінія від розсіювання на атом . Зі збільшенням атомного номера елемента (тобто заряду ядра) енергія зв'язку електронів збільшується, і відносна інтенсивність лінії патонів падає, а когерентної лінії - зростає.
Рух електронів у атомах призводить до розширення комптонівської лінії розсіяного випромінювання. Це пояснюється тим, що для електронів, що рухаються, довжина хвилі падаючого світла здається дещо зміненою, причому величина зміни залежить від величини і напряму швидкості руху електрона (див. Доплера ефект). Ретельні виміри розподілу інтенсивності всередині комптонівської лінії, що відбиває розподіл електронів розсіювальної речовини за швидкостями, підтвердили правильність квантової теорії, згідно з якою електрони підпорядковуються Фермі - Діраку статистиці.
Розглянута спрощена теорія До. не дозволяє обчислити всі характеристики комптонівського розсіювання, зокрема інтенсивність розсіювання фотонів під різними кутами. Повну теорію До. дає квантова електродинаміка. Інтенсивність комптонівського розсіювання залежить як від кута розсіювання, і від довжини хвилі падаючого випромінювання. У кутовому розподілі розсіяних фотонів спостерігається асиметрія: більше фотонів розсіюється у напрямку вперед,причому ця асиметрія збільшується з енергією фотонів, що падають. Повна інтенсивність комптонівського розсіювання зменшується зі зростанням енергії первинних фотонів; це означає, що ймовірність комптонівського розсіювання фотона, що пролітає через речовину, зменшується з його енергією. Така залежність інтенсивності E визначає місце До. серед інших ефектів взаємодії випромінювання з речовиною, відповідальних втрати енергії фотонами за її прольоті через речовину. Наприклад, у свинці (у статті Гамма-випромінювання) До. дає головний внесок у енергетичні втрати фотонів при енергіях порядку 1-10 Мев (у легшому елементі - алюмінію - цей діапазон становить 0,1-30 Мев); нижче цієї області з ним успішно конкурує фотоефект, а вище - народження пар (див. Анігіляція та народження пар).
Комптонівське розсіювання широко використовується в дослідженнях β-випромінювання ядер, а також є основою принципу дії деяких гамма-спектрометрів.
е.. можливий не тільки на електронах, але і на інших заряджених частинках, наприклад на протонах, але через велику масу протона віддача його помітна лише при розсіянні фотонів дуже високої енергії.
Подвійний До. - Утворення двох розсіяних фотонів замість одного первинного при його розсіянні на вільному електроні. Існування такого процесу випливає із квантової електродинаміки; вперше він спостерігався в 1952. Його ймовірність приблизно в 100 разів менша від ймовірності звичайного До.
Якщо електрони, на яких розсіюється електромагнітне випромінювання, є релятивістськими (тобто рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла), то при пружному розсіюванні довжина хвилі випромінювання зменшуватиметься, тобто енергія (і імпульс) фотонів збільшуватиметься за рахунок енергії (і імпульсу) ) електронів. Це явище називаютьзворотним К. е. Зворотний До. часто залучають до пояснення механізму випромінювання космічних рентгенівських джерел, утворення рентгенівської компоненти фонового галактичного випромінювання, трансформації плазмових хвиль на електромагнітні хвилі високої частоти.
Мал. 3.Графік залежності повної інтенсивності комптонівського розсіювання s від енергії фотона Eg (в одиницях повної інтенсивності класич. розсіювання); стрілкою вказана енергія, за якої починається народження електрон-позитронних пар.
рентгенівське випромінювання комптон
Мал. 1.Пружне зіткнення фотона та електрона в Комптон ефекті. До зіткнення електрон спочивав; pn і pn' - налітає і розсіяного фотонів, - імпульс віддачі (n - його швидкість), розсіювання фотона, J - кут вильоту електрона віддачі щодо напрямку падаючого фотона.
Мал. 2.Залежність енергії розсіяного фотона E'g від кута розсіювання J (для зручності зображена тільки верхня половина симетричної кривої) та енергії електрона віддачі Ee від кута вильоту j (нижня половина кривої).
Величини, які стосуються одного акту розсіювання, позначені однаковими цифрами. Вектори, проведені з точки О, в якій сталося зіткнення фотона енергії Eg з електроном, що покоїться, до відповідних точок цих кривих, зображують стан частинок після розсіювання: величини векторів дають енергію частинок, а кути, які утворюють вектори з напрямком падаючого фотона, визначають кут розсіювання фотона J та кут вильоту електрона віддачі j. (Графік викреслено для випадку розсіювання "жорстких" рентгенівських променів з довжиною хвилі hc/Eg = l0 =0,024.
Комптонівське розсіювання - пружне розсіювання фотона на вільному електроні. К.р. визначає непрозорість речовини для твердих(високоенергічних) рентгенівських та гамма-променів. Воно відіграє у атмосферах нейтронних зірок, в рентг. джерелах, у надрах зірок. Окремим випадком До. у межі низькочастотних фотонів і малоенергійних електронів явл. томсонівське розсіювання. Розсіювання фотона на електроні, що лежить, в силу законів збереження енергії і кількості руху супроводжується зменшенням енергії фотона і передачею її електрону. Це явище було експериментально відкрито 1922 р. амер. фізиком А. Комптоном, який досліджував розсіювання рентг. променів у графіті, і відомо як ефект Комптон (комптон-ефект), або ефект віддачі. Розсіювання низькочастотних фотонів на ультрарелятивістських електронах призводить до збільшення (у багато разів) енергії фотонів – т.зв. зворотний комптон ефект. Зворотний комптон-ефект явл. одним з найважливіших механізмів формування спектрів рентгенівського та гамма-випромінювання астрономіч. об'єктів.
Мал. 1.Залежність перерізу комптонівського розсіювання від параметра
Перетин нормований на
Перетин До. (перетин Клейна-Нишини-Тамма) залежить від параметра , де - частота фотона до розсіювання, ( - косинус кута між напрямками поширення фотона та електрона до розсіювання, v - швидкість електрона до розсіювання, - лоренц-фактор електрона. Ця залежність наведена на рис 1. У разі розсіювання на електроні, що покоїться. розсіювання на електронах, що покояться, індикатриса розсіювання низькочастотних фотонів релеївська (див. Релеєвське розсіювання).При збільшується ймовірність розсіювання вперед, тобто в напрямкупоширення фотона (див. рис. 1 ст. Взаємодія випромінювання з речовиною).
Як і томсонівське розсіювання, До. може призводити до помітних поляризацій. ефектів.
У процесі До. змінюються частота фотона та енергія електрона. Частота фотона після розсіювання
де - косинус кута між напрямками розповсюдження фотона після розсіювання та електрона до розсіювання, - кут розсіювання (кут між напрямками поширення фотона до та після розсіювання, рис. 2). При розсіянні на електроні, що покоїться (ефект Комптона)
т. е. довжина хвилі фотона при розсіянні збільшується, це збільшення (пропорційне h і, отже, має квантову природу) залежить лише від кута розсіювання. Величина зв. комптонівська довжина хвилі. З (2) видно, що зміна довжини хвилі фотона при розсіянні на нерухомому електроні не перевищує і, отже, істотно лише для короткохвильового випромінювання.
Мал. 2.Геометрія комптонівського розсіювання. Суцільні стрілки - напрями руху електрона до і після розсіювання, хвилясті - те саме для фотона.
При К. н. жорсткого фотона з енергією на електроні є мала ймовірність народження низькочастотного фотона з енергією: . Цей процес зв. подвійний комптон-ефект. Народження низькочастотних фотонів внаслідок подвійного комптон-ефекту може конкурувати з гальмівним процесом e+pe+p+ (див. Гальмівне випромінювання) лише в екстремально розрідженій та гарячій плазмі на ранніх стадіях розширення Всесвіту, у рентгенівських та гамма-джерелах.
Комптон-ефект обмежує пробіг жорстких фотонів у речовині. В результаті багаторазових розсіянь жорсткий фотон зменшує свою енергію (віддаючи її електронам), переходить в ін область спектру і поглинається внаслідок фотоіонізації атомів. К. н.визначає довжину пробігу твердих рентг. фотонів (10 кеВ