Эффект Комптона

После впечатляющих успехов Планка и Эйнштейна сомнений в том, что свет можно рассматривать как поток частиц, стало меньше. Но они окончательно развеялись после использования идеи квантов света для объяснения процесса рассеяния фотонов на свободных электронах. Этот процесс носит название эффекта Комптона. Впервые он был подтвержден Комптоном в 1923 г. Задача, оказывается, чрезвычайно проста, если рассматривать взаимодействие электрона с фотоном как простое столкновение двух шариков и использовать при этом законы сохранения механики, конечно, с учетом релятивизма.

Следуя Эйнштейну, припишем фотону импульс:

.

И пусть этот фотон с импульсом и энергией сталкивается с неподвижным электроном, энергия покоя которого . После удара импульс фотона становится равным и направлен под углом (рис.21).

е После удара

Импульс электрона после удара будет равен , а полная релятивистская энергия – . Для расчета необходимо использовать релятивистскую механику, поскольку скорость электрона может достигать значений, близких к скорости света.

Согласно закону сохранения энергии, полная начальная энергия равна полной энергии после соударения, т.е.

,

что можно переписать в виде

.

В соответствии с законом сохранения импульса

.

Если возведем обе части этого уравнения в квадрат и вычтем из предыдущего, то получим

,

откуда .

Воспользовавшись тем, что , получаем

или

.

В своем опыте Комптон использовал рентгеновское излучение и обнаружил, что у рассеянных фотонов увеличивается длина волны в соответствии с предсказаниями по последней формуле.

Эффект Комптона, фотоэффект, равновесное тепловое излучение и множество других экспериментов с участием света и атомов подтвердили, что свет действительно ведет себя так, как если бы он состоял из частиц с энергией и импульсом .