Ефект Комптона: наріжний камінь квантової механіки

Ефект Комптона є одним з наріжних каменів квантової механіки. У 1922 році фізик Артур Холлі Комптон пояснив збільшення довжини хвилі х-променів та інших енергетичних електромагнітних випромінювань, розглядаючи їх як сукупність дискретних імпульсів або квантів електромагнітної енергії.

Ефект Комптона

Хімік Льюїс Гілберт (США) ввів термін «фотон» для світлових квантів. Фотони мають свою енергію і імпульси. Вони також володіють хвильовими характеристиками, такими як довжина хвилі і частота. Енергія фотонів знаходиться в прямій пропорційній залежності від частоти і у зворотній від її протяжності. Ефект Комптона передбачає зштовхування фотонів з поодинокими електронами. Під час цього процесу їх енергії з'єднуються, і під певним кутом відбувається хвильовий розкид, розмір якого залежить від початкової кількості даних. Через співвідношення між довжиною хвилі і енергією, розсіяні фотони мають більшою довжиною, що також залежить від величини кута, через який рентгенівські промені були направлені.

Комптоновское розсіяння

Неупругое розсіювання фотона на вільній зарядженої частинки закінчується ослабленням енергії, при цьому довжина хвилі фотона збільшується в розмірі. Частина цієї енергії розпорошується на що знаходяться поблизу електрони. Існує також зворотний процес. Комптоновское розсіяння є непружним, оскільки довжина хвилі світла, що був неуважний, відмінна від падаючого випромінювання. Що ж запропонував Комптон? Ефект у даному випадку може розглядатися як пружне зштовхування. Рух електронів в атомах веде до збільшення ширини комптоновской смуги розсіяного світла. Це можна пояснити тим, що для знаходяться в русі електронів довжина хвилі падаючого випромінювання виглядає дещо трансформованому, при цьому величина змін знаходиться в прямій залежності від розміру та напрямку швидкості переміщення електрона.

В честь кого ефект отримав свою назву

Ефект Комптона отримав свою назву на честь імені професора Вашингтонського університету Артура Холлі Комптона (1892-1962), фізика з США, який отримав Нобелівську премію в 1927 році за своє відкриття. Випускник університету Вустера і Прінстонського університету, він розробив теорію інтенсивності відбиття рентгенівських променів від кристалів в якості засобу вивчення розташування електронів і атомів. В 1918 році він почав свої дослідження. У 1919 році Комптон одним з перших був нагороджений національної дослідницької стипендією Ради. Він був прийнятий на стажування в Кавендішскую лабораторії в Кембриджі (Англія) і потім Вашингтонський університет. Працюючи з х-променями, він удосконалив свій апарат для вимірювання зсуву довжини хвилі від кута розсіювання.

Фотонно-електронне взаємодія

Одним з найважливіших понять при вивченні комптоновского розсіювання є фотон, який, згідно теорії світла, є квантом електромагнітної енергії і вони завжди знаходяться в русі, і навіть у вакуумі є постійна швидкість поширення світла. Ефект Комптона має важливе значення, оскільки він демонструє, що світло не варто розглядати суто як хвильовий феномен. У 1923 році Комптон подарував світу науки статтю, в якій він вивів математичне співвідношення між зрушенням у довжині хвилі і кутом розсіювання х-променів, припускаючи, що кожен вільний рентгенівський фотон почне взаємодія з одного зарядженою частинкою. Це призводить до того, що електрону віддається частина енергії, а фотон, що містить частину енергії, випускає її у бік, відмінну від початкової, при цьому загальний імпульс системи зберігається. Цей ефект є однією з трьох основних форм взаємодії фотонів і головною причиною розсіяного випромінювання в матеріалі. Це відбувається із-за взаємодії рентгенівського або гамма-фотона з крайніми (і, як наслідок, слабо пов'язаними між собою) валентними електронами на атомному рівні.

Фотон з точки зору квантової теорії

В 1800-х роках хвильові світлові характеристики та електромагнітне випромінювання в цілому стали цілком очевидними. Однак раніше вчені не надавали цим явищам великого значення. Так було до тих пір, поки Альберт Ейнштейн не пояснив фотоелектричний ефект і всім дав зрозуміти, що світлова енергія повинна була бути розглянута як частина квантованной теорії. Як вже згадувалося вище, світло має хвилі і частинки. Це було вражаючим відкриттям і, безумовно, за межами звичайного сприйняття речей. Оскільки енергія і величина імпульсу пропорційні його частоті, після взаємодії фотон має меншу частоту, а довжина хвилі при цьому збільшується. Цей показник залежить тільки від кута, що утворюється між падаючим і розсіяним променями. Найбільший кут розсіювання дозволить отримати більше збільшення. Ефект використовується при дослідженні електронів в речовині і у виробництві змінної енергії гамма-променів. Формула Комптона для зсуву ?? довжини хвилі світла: ?? = ?' – ? = ?0(1 cos ?), де ?' – це довжина хвилі розсіяного світла, ? - це кут розсіяння фотона, і ?0 = 2426 x 1010 см = 0024 Ангстрем (A). З формули видно, що зміщення довжини хвилі не залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання. Він визначається виключно кутом розсіювання фотона і є найбільшим при куті 180°.

Основні властивості фотонів

Рух у вільному просторі з постійною швидкістю.

Фотони не мають маси.

Вони несуть енергію і імпульс, які також пов'язані з частотою та довжиною хвилі.

Вони можуть бути знищені при поглинанні випромінювання.

Фотони нейтральні з електронною точки зору і є одними з найбільш рідкісних частинок.

Значення ефекту в різних областях науки

Комптоновское розсіяння, яке часто називають некогерентним розсіюванням, має важливе значення в атомній енергетиці (радіаційний захист), експериментальної і теоретичної ядерної фізики, фізики плазми і атома, рентгенівської кристалографії, фізики елементарних частинок та астрофізики. Ефект Комптона дає важливий інструмент для дослідження в деяких галузях медицини, молекулярної хімії та фізики твердого тіла, а також використання високоенергетичних прискорювачів електронів. Це відкриття має першорядне значення для радіобіології, тому що воно є найбільш підходящим для взаємодії високої енергії рентгенівських променів з ядрами атомів в живих організмах і застосовується у променевій терапії. У фізичних матеріалах цей ефект може бути використаний для зондування хвильової функції електронів у речовині. Також Комптон відкрив явище повного відбивання рентгенівських променів і їх повної поляризації, які призвели до більш точного визначення числа електронів в атомі. Він був також першим, хто отримав рентгенівські спектри прямим методом вимірювання довжини хвилі рентгенівських променів. Шляхом порівняння цих спектрів з даними, отриманими при використанні кристала, можуть бути визначені абсолютні значення відстані між атомами в кристалічній решітці. Комптон займав пост президента американського фізичного товариства в 1934 році. Він був канцлером Вашингтонського університету з 1946 по 1953 рік. Великий фізик помер в 1962 році у віці 69 років.

Неймовірне відкриття

Заснований на квантових уявлень про природу світла ефект Комптона ілюструє одне з найбільш фундаментальних взаємодій між випромінюванням і речовиною і в дуже наочній формі показує справжню квантову природу електромагнітного випромінювання. Мабуть, найбільше значення даного ефекту полягає в тому, що він демонструє прямо і чітко, що на додаток до хвильової природи з її поперечними коливаннями, електромагнітне випромінювання також містить частинки природи - фотони, які ведуть себе цілком як матеріальні речовини при зіткненнях з електронами. Це відкриття привело до розробки квантової механіки і послужило основою для початку теорії квантової електродинаміки, теорії взаємодії електронів з електромагнітним полем.