Эффект Комптона. Энергия, импульс и масса фотона

Фотон

Эффект Комптона. Энергия, импульс и масса фотона.

Артур Комптон изучал процесс рассеяния рентгеновских квантов на свободных электронах вещества. Свободными электронами в веществе называют электроны, которые не являются локализованными вокруг определенного атома, а, наоборот, могут свободно передвигаться по веществу. Особенно много таких электронов в металлах, однако некоторая, меньшее их количество есть также и в полупроводниках и даже в диэлектрике.

Фотон во время столкновения передает неподвижному электрону часть собственной энергии и предоставляет ему определенный импульс. Поэтому частота фотона после столкновения является меньшей, а длина волны соответственно больше.

Углы отклонения векторов импульсов фотона и электрона от горизонтальной линии после рассеяния, можно достаточно просто найти связь между частотами и длинами волны кванта к и после рассеяния.

Собственно, увеличение длины волны рентгеновских фотонов, или, что эквивалентно, уменьшение их частоты после рассеяния на электронах и получило название эффекта Комптона. Величину м, которая фигурирует в названии комптоновской длиной волны.

Эффект Комптона, как и фотоэффект, демонстрирует корпускулярную природу рентгеновского (и вообще электромагнитного и электростатического) излучения. Квант энергии ведет себя при столкновении с микрочастицей фактически как корпускула (частица), или, точнее, как квазичастица. Фотон демонстрирует в этом эффекте, как и в фотоэффекте, пространственную локализацию кванта энергии, которая является противоположностью делокализированному распределению энергии электромагнитной волны в пространстве.

Если рассматривать квант света как якобы частицу, квазичастицу (А. Комптон предложил для нее название "фотон"), то такая квазичастица должна характеризоваться некоторыми корпускулярными параметрами: импульсом, массой, энергией. В то же время скорость этой квазичастицы в вакууме равняется скорости света - мировой универсальной константе, а масса, которую мы приписываем фотону является (заметим, что ограниченной!) массой лишь для подвижного кванту, - поскольку фотона не существует в состоянии спокойствия, то он не имеет массы покоя, как обычная микрочастица.

Не говоря уже о том, что масса обычной микрочастицы неограниченно растет при приближении ее скорости к - скорости света в вакууме.

Заметим, что присутствующий также атрибут волнового описания света - частота - другими словами дуализм (двойная природа) света есть в этих соотношениях абсолютно наглядным. С частотой света связаны такие его сугубо волновые характеристики как длина волны и волновое число.