Эффект Комптона. Фотоны и волны

Эффект КомптонаФотоны и волны.

Несмотря на то, что Эйнштейн еще в 1905 г. ввел понятие о квантах света (позднее названных фотонами), большинство физиков в начале XX в. отнеслись к этой идее достаточно скептически. Такое отношение объяснялось двумя при­чинами. Во-первых, в XIX в. было твердо обосновано положение, что свет является электромагнитной волной. Поэтому многим физикам принятие идеи о квантовой структуре излучения пред­ставлялось шагом назад, возвратом к ньютоновским представле­ниям о свете. Во-вторых, все известные к этому времени явле­ния, связанные с распространением излучения и его взаимо­действием с веществом, в основном хорошо объяснялись на основе волновых представлений о свете.

Правда, когда Планк попытался вывести законы излучения абсолютно черного тела, ему пришлось ввести идею квантования. Но он полагал, что квантована не электромаг­нитная волна, а вещество, что частицы вещества (осцилляторы) поглощают из непрерывной электромагнитной волны с частотой v дискретные порции энергии v = nhv, где n — целое число. Световое давление вполне удовлетворительно объясняется на основе волновой теории, и использование здесь квантовых пред­ставлений не диктовалось необходимостью. Что же касается фотоэффекта и закона Стокса, то объяснение Эйнштейна, конечно, было воспринято с интересом, но считалось, что эти явления можно будет разъяснить и на основе волновой теории, не используя понятие о квантах излучения.

Опыт Комптона.

Ситуация совершенно изменилась, когда в 1922 г. А. Комптон при изучении рассеяния рентгеновского излучения в веществе обнаружил возрастание длины волны у рас­сеянного излучения. Установка Комптона состоит из рентгеновской трубки, свинцовых экранов с диафрагмой, пропускающих узкий пучок рентгеновского изучения, кристаллов, выполняющих функции дифракционной решетки и выде­ляющих за счет дифракции монохроматический пучок с длиной волны ? 0, рассеивающего вещества (углерод, алюминий и т. п.), кристалла, выполняющего функцию измерительной дифракционной решетки и ионизационной камеры, регистрирующей интенсивность peнтгеновского излучения. Кристалл и ионизационная камера могут перемещаться вокруг рассеивающего образца, что позволяет измерять интенсивность излучения и длину полны при разных углах рассеяния ?.

Рассмотрим сущность результатов эксперимента.

Согласно классической электро­магнитной теории рассеянное излучение должно иметь ту же частоту (и ту же длину волны), что и падающее на вещество излучение. Действительно, излучение, падая на вещество, вызывает вынужденные колебания электронов, которые за счет этого излучают электромагнитныe волны. Но при этом частота волны меняться не должна, ибо частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, в данном случае — частоте падающей на вещество электромагнитной волны. Конечно, из-за эффекта Доплера произойдет уширение спектраль­ной линии, но наблюдался совсем другой эффект.

Эффект Комптона качественно можно объяснить, рассматривая упругое соударение фотона с неподвижным свободным (или слабо связанным электроном). При соударении фотон передает электро­ну часть своего импульса. 

следовательно ? >?0, что и наблюдается в эксперименте. А поскольку электроны у всех веществ одинаковые, то и изменение волны не зависит от свойств вещества, а зависит от угла рассеяния. Количественный расчет эффекта Комптона (вывод формулы (1)) выполнили в 1923 г. Комптон и независимо от него П. Дебай.

Таким образом эффект Комптона убедительно свидетель­ствует о существовании фотонов и наличии у них энергии и импульса.

В заключение обратим внимание на следующие особен­ности этого явления.

1. В рассеянном излучении наряду с компонентой, длина волны которой возрастает, наблюдается компонента и с неизмен­ной длиной волны.

2. Увеличение длины волны при рассеянии наблюдается у рентгеновского и гамма-излучении и не наблюдается у видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений.

Для объяснения первой особенности следует учесть, что фо­тоны рассекаются при столкновениях не только с электронами, но и с атомами, массы которых в десятки тысяч раз больше массы электронов. Из выражения для комптоновский длины волны ясно, что при рассеянии фотонов на атомах модуль их импульса практически не меняется.

Чтобы объяснить вторую особенность, нужно иметь в виду, что энергия связи валентных электронов с атомами по сравнению с энергией рентгеновского фотона ничтожна мала и эти электроны можно считать свободными. В случае же фотонов оптического диапазона их энергия оказывается по порядку рав­ной энергии связи. Поэтому фотоны взаимодействуют не со свободными, а со связанными электронами и в балансе энергий следует учесть энергию связи электрона с атомом (работу вы­хода), т. е. рассматривать фотоэффект, а не эффект Комптона.