Эффект Комптона. Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название эффекта Комптона

Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название эффекта Комптона.

В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины волны l, содержатся также лучи большей длины волны l¢. Разность Dl = (l¢ – l) оказалась независящей от l, и от природы рассеивающего вещества. Экспериментально была установлена следующая закономерность:

Dl = (l¢ – l) = l₀(1 – cosq), (16)

где q угол, образуемый направлением рассеянного излучения с направлением первичного пучка, l₀ – постоянная, равная 0,0242 А.

Рис. 8.

Схема опыта Комптона показана на рис. 8. Выделяемый диафрагмами Д узкий пучок монохроматического (характеристического) рентгеновского излучения направлялся на рассеивающее вещество РВ. Спектральный состав рассеянного излучения исследовался с помощью рентгеновского спектрометра, состоящего из кристалла Кр и ионизационной камеры ИК. На рис. 9 представлены результаты исследования рассеивания монохроматических лучей (линия Кa молибдена) на графите.

Кривая а характеризует первичное излучение. Остальные кривые относятся к разным углам рассеяния q, значения которых указаны на рисунке. По оси ординат отложена интенсивность излучения, по оси абсцисс – величина, пропорциональная длине волны. Рис. 10 характеризует зависимость соотношения интенсивностей смещенной М и несмещенной Р компонент от атомного номера рассеивающего вещества. Верхняя кривая в левом столбце характеризует первичное излучение (линия К_а серебра). При рассеянии веществами с малым атомным номером (Li, Be, В) практически все рассеянное излучение имеет смешенную длину волны. По мере увеличения атомного номера все большая часть излучения рассеивается без изменения длины волны.

Рис. 9.

Рис. 10.

Все особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов с практически свободными электронами. Свободными можно считать наиболее слабо связанные с атомами электроны, энергия связи которых значительно меньше той энергии, которую фотон может передать электрону при соударении.

Пусть на первоначально покоящийся свободный электрон падает фотон с энергией w и импульсом k /2p. Энергия электрона до столкновения равна m₀c² (m₀ – масса покоя электрона), импульс равен нулю. После столкновения энергия электрона будет mc², а импульс m V. Энергия и импульс фотона тоже изменятся и станут равными w¢ и k ¢/2p. Схематично эффект Комптона

Рис. 11

изображен на рис. 11. Из законов сохранения энергии и импульса можно вывести соотношение Dl = (l¢ – l) = 2p (1 – cosq)/m₀c.

Величина

L = 2p /m₀c (17)

носит название комптоновской длины волны. Подстановка численных значений для электрона дает значение 3, 86 10^{-11 см или после умножения на 2}p значение l₀ = 0,0242 А, что хорошо согласуется со значением в эмпирической формуле (16).

При рассеянии фотонов на электронах, связь которых с атомом велика, обмен энергией и импульсом происходит с атомом как целым. Так как масса атома намного превосходит массу электрона, комптоновское смещение в этом случае ничтожно мало. По мере роста атомного номера увеличивается относительное число электронов с сильной связью, чем и обусловливается ослабление смещенной линии (рис, 10).