Эффект комптона кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

ЭффектКомптона – рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля - фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией λ (h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны, λ – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину

где θ – угол рассеяния фотона, а m_e – масса электрона h/m_ec = 0.024 Å называется комптоновской длиной волны электрона.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

Эффективное сечение рассеяния γ-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.
Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии γ-кванта: σ_k ~ 1/E_γ.

Обратный комптон-эффект

Если электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским Ee >> E_γ, то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков γ-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник γ-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток γ-квантов с энергиями 400 МэВ).
Энергия рассеянного фотона E_γ зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии E_γ0 и угла столкновения θ фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между φ направлениями движения первичного и рассеянного фотона

E₀ − полная энергия электрона до взаимодействия, mc 2 − энергия покоя электрона.
Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов _γ определяется соотношением

При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией
E_γ = 50–100 кэВ.
Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, в 1922 г. получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона , не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Схема Комптона представлена на рис. 5.2.1. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны , исходящее из рентгеновской трубки , проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом , анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей , в котором роль дифракционной решетки играет кристалл , закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны , зависящее от угла рассеяния :
где – так называемая комптоновская длина волны , не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны наблюдается несмещенная линия с длиной волны . Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

На рис. 5.3.2 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Объяснение эффекта Комптона на основе квантовых представлений о природе излучения было дано в 1923 году независимо друг от друга А. Комптоном и П. Дебаем. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией и импульсом , с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным , а его энергия . Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения, в соответствии с релятивистской формулой (см. § 4.5), становится равной где _e – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде
или

Закон сохранения импульса
можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 5.3.3):

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины _e можно получить

Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:

Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений, дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны через фундаментальные константы , и :

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны . Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны рассеянного излучения практически не отличается от длины волны падающего излучения.

Современная физика описывает явления, которые, на первый взгляд, противоречат здравому смыслу. Знаете ли вы, что свет может взаимодействовать с электронами? В результате этих взаимодействий электрон может достичь определенной скорости, а свет… меняет свое направление и длину волны. Это явление называется эффектом Комптона. Проанализировав эту статью, вы увидите, что этот удивительный эффект имеет очень простое объяснение. Чтобы понять его, нам понадобятся лишь базовые знания механики и простые факты из современной физики.

Простое объяснение эффекта Комптона

Рис. 1. Следует ли рассматривать свет как волны или как частицы?

Свет волновой природы — это электромагнитные волны (или электромагнитное излучение), с которыми мы знакомы. Подтверждение того, что свет может вести себя как волна, было получено в 1803 году английским физиком Томасом Янгом. Он провел серию гениальных экспериментов, в которых показал, что свет претерпевает дифракцию и интерференцию, то есть явления, характерные для волн. Эти эксперименты XIX века утвердили мнение о том, что свет является разновидностью волны.

Это мнение оставалось практически неизменным в течение 100 лет! Однако уже в то время были обнаружены явления и эффекты, которые нельзя было объяснить, исходя из того, что свет имеет только волновую природу. Фотоэлектрический эффект, заключающийся в выбросе электронов с поверхности металлов, оказался большой проблемой. Свойства этого явления противоречили волновой природе света.

Давайте теперь вернемся к эффекту Комптона. Он получил свое название от имени американского физика Артура Холли Комптона. Комптон изучал рассеяние рентгеновских лучей. Полученные им результаты не соответствовали волновой природе света в то время. Для того чтобы правильно объяснить полученные результаты, Комптон, как и Эйнштейн, должен был предположить, что свет состоит из потока частиц. В 1923 году физик опубликовал работу, описывающую новый эффект, и очень скоро, в 1927 году, он получил Нобелевскую премию за свои исследования! Как видите, в то время новая, зарождающаяся отрасль физики (сейчас она называется современной физикой) была полем многих захватывающих и новаторских научных исследований.

Эффект Комптона делает известной как волновую, так и корпускулярную природу света. Этот эффект связан с взаимодействием рентгеновских и гамма-лучей с электронами. В результате этого взаимодействия электрон приобретает определенную скорость и выбрасывается, а излучение меняет направление и длину волны. Когда излучение, особенно свет, меняет направление, мы говорим, что оно рассеяно. Схема явления Комптона показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема эффекта Комптона

В результате освещения электрон приобретает определенную скорость под углом φ к первоначальному направлению распространения излучения. Излучение, в свою очередь, рассеивается под углом θ к первоначальному направлению, длина волны также изменяется, и ее новое значение составляет λ_f ‘ .

Формулы для расчета энергии и импульса фотона

Чтобы понять и описать, что происходит во время эффекта Комптона, давайте рассматривать рентгеновские лучи (или гамма-лучи) как поток частиц. Если бы мы использовали только волновое описание, изменение длины волны излучения не могло бы быть объяснено. Такой эффект не возникает при классическом рассеянии. Если предположить, что мы рассматриваем излучение как поток фотонов, то мы имеем дело с упругим столкновением одной частицы (фотона) с другой частицей (электроном). Упругое столкновение можно рассматривать на основе известных законов механики — должны выполняться принципы сохранения импульса и энергии:

Для справки. Упругое столкновение — столкновение, при котором импульс и энергия системы (в классической физике — кинетическая энергия) не изменяются.

Чтобы решить приведенную выше систему уравнений и определить неизвестные значения импульса и энергии после рассеяния, необходимо разложить вектор импульса на составляющие. В нашем двумерном случае мы получаем в общей сложности три уравнения: два, описывающие импульс (в горизонтальном и вертикальном направлениях), и одно, описывающее энергию:

Что такое импульс и энергия фотона? Для их определения мы должны обратиться к двойственной природе излучения. Значение импульса фотона (частицы) связано с длиной волны света λ следующим соотношением: p_f = h / λ .

где h = 6,63 * 10 -34 Дж*с — постоянная Планка. Энергия фотона составляет: E_f = p_f * c = h*c / λ

где c = 3 * 10 8 м/с — скорость света в вакууме. Вы уже видите взаимосвязь природы волн и частиц? Чтобы объяснить явление Комптона, мы должны рассматривать излучение как поток частиц, которые, подобно пулям, сталкиваются с электронами и приводят их в движение. С другой стороны, мы не можем определить энергию и импульс фотонов, не обращаясь к их волновой природе.

Формулы для расчета импульса и энергии релятивистских частиц

А каковы будут импульс и энергия электрона? В явлении Комптона отражающийся электрон может достигать очень высоких скоростей, составляющих значительную долю скорости света. Это означает, что к электрону нужно относиться релятивистски. Нельзя записать импульс и энергию электрона классическим способом, потому что масса движущегося электрона отличается от его массы покоя (и зависит от скорости). Релятивистская связь между энергией E и импульсом p следующая:

E = m₀ * c 4 + p 2 * c 2

В релятивистской физике мы говорим, что энергия покоя связана только с тем, что тело наделено массой. В этом смысл знаменитой формулы Эйнштейна — энергия и масса эквивалентны. Увеличение энергии тела приводит к увеличению его массы.

Анализируя рис. 2, мы видим, что отдельные компоненты импульса могут быть определены простыми тригонометрическими соотношениями. Таким образом, в конечном итоге наша система уравнений принимает вид, показанный ниже. Первое уравнение относится к горизонтальной составляющей импульса, второе — к вертикальной, а третье выражает принцип сохранения энергии.

В типичном лабораторном эксперименте мы освещаем электроны излучением с фиксированной длиной волны λ и получаем, как правило, угол рассеяния фотона θ. Тогда неизвестные в приведенной выше системе уравнений имеют вид λ ‘ , p ‘ _e и φ. Для получения окончательного выражения, описывающего эффект Комптона, эта система обычно преобразуется к форме, показанной ниже. Мы рекомендуем вам провести эти расчеты самостоятельно. В Интернете вы найдете множество советов о том, как это сделать.

Δλ = λ ‘ — λ = ( h / m_e * c ) * ( 1 — cos θ )

Эта форма решения позволяет нам быстро определить разность длин волн между падающим и рассеянным фотоном. Зная длину волны падающего фотона и угол рассеяния фотона θ , мы можем быстро определить длину волны рассеянного фотона. Зная длины волн, мы можем вычислить энергии обоих фотонов, а затем, исходя из принципа сохранения энергии, энергию электрона после рассеяния.

Разница Δλ = λ ‘ — λ называется комптоновским сдвигом или комптоновским смещением. Выражение λ_c = h / m_e * c ≈ 2,43 * 10 -12 м называется комптоновской длиной волны.

Два случая комптоновского рассеяния

Рассмотрим теперь два крайних случая комптоновского рассеяния. Первый возникает, когда угол рассеяния фотона θ = 0°. Это означает, что фотон не меняет своего направления после столкновения с электроном. Эта ситуация показана на рис. 3. Мы видим, что:

λ ‘ — λ = ( h / m_e * c ) * (1 — 1) = 0 → λ ‘ = λ

Длина волны фотона до и после столкновения одинакова. Это означает, что фотон не передает импульс или энергию электрону. Поэтому электрон остается в состоянии покоя, а фотон продолжает двигаться без рассеяния.

λ = ( h / m_e * c ) * (1 + 1) = 2h / m_e * c

При обратном рассеянии разность длин волн фотона принимает максимально возможное значение. Это означает, что фотон передает электрону максимально возможную энергию и импульс. Эта ситуация показана на рис. 4.

Рис. 4. Случай обратного рассеяния в явлении Комптона

Как мы знаем, Альберт Эйнштейн в 1905 году предложил для объяснения фотоэффекта так называемую концепцию фотонов. Позже, в 1922 г., американский физик А.Комптон провел серию опытов и подтвердил ее экспериментально. Он провел исследования упругого рассеяния коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества (или электронах, слабо связанных с атомами) и открыл, что длина волны рассеянного изучения не соответствует ранее принятой волновой теории. Согласно ей, электроны, испытывающие воздействие периодического поля световой волны, совершают вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучают рассеянные волны той же частоты, следовательно, длина волны излучения при рассеянии не должна меняться.

На иллюстрации представлена схема прохождения монохроматического рентгеновского излучения с длиной волны λ 0 , которое исходит из трубки R , через свинцовую диафрагму. После прохождения его направляют узким пучком на слой рассеивающего вещества (алюминия, графита). Затем получившееся излучение, рассеянное под углом θ , анализируют при помощи спектрографа рентгеновских лучей S с дифракционной решеткой в виде кристалла K , помещенного на поворотный столик. Результаты опыта показывают, что в рассеянном излучении длина волны Δ λ увеличивается в зависимости от угла рассеяния.

∆ λ = λ - λ 0 = 2 Λ sin 2 θ 2 .

Здесь параметр Λ = 2 , 43 · 10 – 3 н м выражает так называемую комптоновскую длину волны, которая не имеет связи с свойствами рассеивающего вещества.

Если излучение является рассеянным, то в нем помимо спектральной линии с длиной волны λ присутствует и несмещенная линия, длина волны которой равна λ 0 .

Соотношение интенсивности обеих линий связано с тем, какое вещество использовано в качестве рассеивающего.

Рисунок 5 . 3 . 1 . Эксперимент Комптона (схематическое изображение).

Следующие иллюстрации показывают, как распределяется интенсивность в спектре рассеянного излучения в зависимости от угла рассеивания.

Рисунок 5 . 3 . 2 . Распределение интенсивности в рассеянном излучении.

Объяснение эффекта с помощью квантовых представлений

Эффект Комптона был объяснен в 1923 году самим Комптоном и П. Дебаем, которые работали независимо друг от друга. В обоих случаях в основе объяснения лежат квантовые представления.

Если излучение является потоком фотонов, то эффект Комптона происходит из-за упругого столкновения свободных электронов вещества с рентгеновскими фотонами. Рассеивающие вещества имеют слабую связь между ядрами атомов и электронами, поэтому можно считать, что они имеют в составе свободные электроны. При столкновении им передается часть энергии фотонов и часть импульса.

Рассмотрим подробнее процесс упругого столкновения налетающего фотона с импульсом p 0 = h ν 0 c и энергией E 0 = h ν 0 с электроном, у которого энергия покоя составляет E e 0 = m c 2 . После того, как частицы столкнутся, направление движения фотона изменяется, т.е. происходит рассеяние, после чего импульс фотона становится равен p = h ν c , а энергия – E = h ν E 0 . Что касается электрона, то, согласно релятивистской формуле, его энергия становится равной E e = p e 2 c 2 + m 2 c 4 (буквой p e обозначен приобретенный импульс). Запишем формулу закона сохранения:

E + E e 0 = E + E e .

Иначе говоря, h υ 0 + m c 2 = h υ + p e 2 c 2 + m 2 c 4 .

Также нам понадобится закон сохранения импульса:

С помощью теоремы косинусов мы можем перевести его в скалярную форму:

p e 2 = h υ 0 c 2 + h υ c 2 - 2 h 2 c 2 υ 0 υ cos θ .

Рисунок 5 . 3 . 3 . Распределение импульсов при столкновении налетающего фотона и покоящегося электрона

Теперь возьмем эти два соотношения (законы сохранения импульса и энергии), проведем несложные преобразования, исключив p e , и получим следующее:

m c 2 υ 0 - υ = h υ 0 υ ( 1 - cos θ ) .

Перейдем от частот к волнам υ 0 = c λ 0 , υ = c λ . У нас получится выражение, совпадающее с формулой Комптона, которая была получена при эксперименте:

∆ λ = λ - λ 0 = h m c ( 1 - cos θ ) = 2 h m c sin 2 θ 2 .

Проведенные теоретические расчеты, использующие квантовые представления, помогают не только объяснить эффект Комптона, но и вывести формулу нахождения длины волны с помощью фундаментальных констант m , h , c :

Λ = h m c = 2 , 426 · 10 - 3 н м .

Почему длина части волн не изменяется?

Согласно данным опыта, в излучении после рассеяния кроме смещенной линии есть и несмещенная, длина волны излучения которой совпадает с первоначальной. Ее наличие можно объяснить тем, что часть фотонов взаимодействует с электронами, крепко связанными с ядрами атомов. Тогда происходит обмен энергии и импульса с атомом в целом, а не только с электроном. Поскольку атом весит значительно больше, то переданная энергия фотона очень мала, следовательно, длина волны λ рассеянного излучения остается практически неизменной.

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892—1962), исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение. Опыты показали, что разность ∆λ=λ’-λне зависит от длины волны λ падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только углом рассеяния θ:

(5.1)

λ’ - длина волны рассеянного излучения, λ_с -комптоновская длина волны.

Эффектом Комптонаназывается упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу, т. е. представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона — результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис. 4)— налетающего фотона, обладающего импульсом p_γ=hv/cи энергией ξ_γ=hv, спокоящимся свободным электроном (энергия покоя W₀=m₀c 2 ; m₀— масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. При каждом столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса. Согласно закону сохранения энергии,

(5.2)

а согласно закону сохранения импульса,

(5.3)

гдe W₀=m₀c 2 – энергия электрона до столкновения, ξ_γ=hv — энергия налетающего фотона, — энергия электрона после столкновения (используется релятивистская формула, так как скорость электрона отдачи в общем случае значительна ε’_γ=hv ’ — энергия рассеянного фотона. Подставив в выражение (5.2) значения величин и представив (5.3) в соответствии с рис. 3, получим

(5.4)

(5.5)

Решая уравнения (206.4) и (206.5) совместно, получим

Поскольку ν=c/λ, ν’=c/λ’ и ∆λ=λ’-λ, получим (5.6)

(5.6)

Выражение (5.6) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (5.1). Подстановка в нее значений h, m_Q и с дает комптоновскую длину волны электрона λ_с=h/(m₀c)=2,426 пм.

Наличие в составе рассеянного излучения несмещенной линии (излучения первоначальной длины волны) можно объяснить следующим образом. При рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому в данном случае длина волны λ_lрассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны λпадающего излучения.

Из приведенных рассуждений следует также, что эффект Комптона не можетнаблюдаться в видимой области спектра, поскольку энергия фотона видимого света сравнима с энергией связи электрона с атомом, при этом даже внешний электрон нельзя считать свободным.

Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором — поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободным электроном, а фотоэффект — со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободным электроном не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т. е. эффект Комптона.