С точки зрения волновых представлений механизм рассеяния состоит «в раскачивании» электронов электромагнитным полем падающей волны. Колеблющийся электрон должен в свою очередь излучать электромагнитную волну, имеющую частоту, равную частоте колебаний электрона, т.е. частоте падающей волны. Таким образом, свободные электроны рассеивают излучение, причем частота рассеянных волн должна равняться частоте падающих.
С помощью рентгеновского спектрометра
(изображен на рис.1) А.Комптон произвел точные измерения длины волны рентгеновских лучей, рассеянных на мишени. А.Комптон обнаружил (см. рис.2), что излучение бывает двух сортов: у одного длина волны совпадает с длиной волны первичного излучения (пунктирная кривая), а другое обладает бóльшей длиной волны (сплошная кривая). Им были установлены две особенности процесса: 1) разность длин волн рассеянного и первичного излучений не зависит от природы рассеивателя и длины волны первичного излучения; 2) при возрастании атомного номера рассеивателя интенсивность несмещенной линии возрастает, интенсивность смещенной линии падает.
Теоретическую интерпретацию этому явлению дали А. Комптон и П. Дебай. Эффект становится объяснимым, если полагать, что электромагнитное излучение представляет поток фотонов, каждый из которых обладает энергией hν иимпульсом. Т.е. фотон ведет себя, грубо говоря, как движущийся шарик. В легких веществах, с которыми проводил опыты А.Комптон, энергия связи электронов мала по сравнению с энергией, передаваемой ему квантами рентгеновского излучения, и электроны можно считать свободными. При комптоновском рассеянии происходит упругое столкновение фотона со свободным электроном. По образному выражению М.Борна эффект Комптона — это игра в биллиард фотонами и электронами.
Для видимого света (hν всего 2 — 3 эВ) в веществе нет электронов, которые можно было бы считать свободными, и эффект не наблюдается. (Хотя, пока природа явления не была понята, поиски предпринимались.)
Расчет эффекта Комптона
Пусть фотон с энергией hν падает на покоящийся электрон (см. рис.3).
Запишем уравнения, выражающие законы сохранения энергии и импульса:
1.энергия до столкновения (энергия фотона hν плюс энергия покоя электрона) должна равняться энергии после столкновения (энергия hν’ рассеянного фотона плюс полная энергия получившего отдачу электрона)
где mo — масса покоящегося электрона, m — масса движущегося электрона, с — скорость света;
2.импульс падающего фотона p должен равняться сумме импульсов электрона pe и рассеянного фотона p’
p = p’ + pe (2)
Энергия фотона связана с импульсом соотношением
|p| = hν/c. (3)
Преобразуем выражение (1): перенесем энергию рассеянного кванта в левую часть, выразим энергии квантов через импульсы в соответствии с (3), разделим обе части равенства на c и возведем в квадрат
(p — p’ + moc)2 = (mc)2. (4)
В законе сохранения импульса (2) перенесем импульс рассеянного кванта в левую часть и возведем в квадрат обе части равенства
p2 — 2pp’ + p’2 = pe2. (5)
После вычитания последнего равенства из (4) получим
-2pp’ + 2pp’cosΘ + 2pmoc — 2p’moc + mo2c2 = m2c2 — pe2 (6)
Квадрат полной энергии электрона
Ee2 = (mc2)2 = pe2c2 + mo2c4.
Учитывая это, замечаем, что правая часть (6) равна mo2c2. Точно такое же слагаемое есть и в левой части (6). После сокращений получим выражение для модуля импульса рассеянного фотона
p’ = p/[1 + (p/mc)(1 — cosΘ)]. (7)
Поскольку импульс фотона p = h/λ, получаем окончательное выражение для изменения длины волны рассеянного фотона
λ’ — λ = (h/mоc)(1 — cos Θ). (8)
Величина h/moc называется комптоновской длиной волны электрона, ее численное значение равно h/moc = 2.4263096(15) ·10-12 м. Это длина волны фотона с энергией, равной moc2 — энергии покоя электрона.
Убедитесь, что если бы эффект Комптона можно было наблюдать в видимой части спектра, смещение длины волны составило бы тысячные доли длины первичной волны. В рентгеновской области (hν порядка кэВ) изменение порядка 10%, для γ — лучей (hν порядка МэВ) оно сравнимо с длиной волны. А.Комптон проводил измерения с К-линией характеристического рентгеновского излучения молибдена, имеющей λ = 0.0708 нм (hν = 17.5 кэВ). Изменение длины волны в этом случае порядка трех процентов.
В своей статье «A Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements», опубликованной в 1923 году, А.Комптон провел расчеты и сравнил результаты с ранее полученными в эксперименте. Выше приведен график из этой работы. На поле графика — результаты для рассеяния рентгеновских лучей в мишени из графита. Впечатляющее согласие пионерских измерений А.Комптона и многих последующих с теоретическими расчетами явилось сильным доводом в поддержку выдвинутого в 1905 г. Эйнштейном предположения о том, что свет обладает свойствами не только волны, но и частицы. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения проявлялись при взаимодействии первичных рентгеновских лучей с электронами, тогда как волновые свойства обнаруживались при детектировании рассеянных лучей – действие дифракционного спектрометра, использованного А.Комптоном, можно объяснить, только рассматривая рентгеновские лучи как волны.
Квантование энергии электромагнитной волны доказано ранее в опытах по фотоэффекту. Но при фотоэффекте импульс фотона передается всему образцу металла и испущенному из него электрону. Импульс, приобретенный металлом в таких условиях, слишком мал и не поддается измерению. Эффект А.Комптона демонстрирует, что фотон обладает импульсом.
А.Комптон не был бы настоящим ученым, если бы не задался вопросом, какие еще экспериментальные подтверждения можно найти приведенному выше объяснению смещения длины волны рассеянного излучения. Если обе части равенства (7) умножить на c, получим энергию рассеянного фотона
hν’ = hν/[1 + (hν/mоc2)(1 — cosΘ)]. (9)
Разность энергий первичного и рассеянного фотонов равна кинетической энергии электрона, который А.Комптон назвал «электроном отдачи», Te = hν — hν’. На снимках в камере Вильсона по длине следов электронов измерялась их энергия. Экспериментальные значения оказались в хорошем согласии с расчетными.
В 1927г. А.Комптону присуждена нобелевская премия :
При вручении премии, как водится, А.Комптон прочел лекцию об исследовании рентгеновского излучения «X-rays as a branch of optics» («Рентгеновское излучение как раздел оптики»). С ней можно познакомиться.
Продемонстрируем эффект Комптона на модели экспериментальной установки. В нашем распоряжении источник — рентгеновская трубка (1), две диафрагмы (2), выделяющие узкий пучок излучения, мишени (3) из трех материалов и подвижный детектор (4). Спектр излучения рентгеновской трубки сплошной, на фоне которого выделяются линии характеристического излучения. У нашего идеализированного источника энергия квантов hν = 100 кэВ, а сплошная часть спектра отфильтрована. Детектор современный (полупроводниковый или сцинтилляционный), амплитуда электрических импульсов на выходе которого пропорциональна энергии поглощенных квантов. С выхода детектора импульсы поступают на многоканальный амплитудный анализатор (мы увидим только экран анализатора). Его задача — сортировка поступающих импульсов по амплитуде и подсчет количества импульсов с каждой амплитудой (конечно, в некотором диапазоне около среднего). В силу конечного разрешения детектора моноэнергетическим квантам будет соответствовать некоторое распределение импульсов по амплитудам (для идеального детектора получили бы монолинию). Положение максимума на оси амплитуд определяет энергию излучения.
Сейчас приступим к эксперименту. После нажатие кнопки «Начнем» в новом окне будет представлена действующая модель экспериментальной установки. Сначала установлен режим демонстрации. Справа внизу Вы увидите описание предстоящих действий компьютера после нажатия Вами кнопки «Старт» (потом эта кнопка — «Далее»). Когда компьютер «занят» (т.е. идет опыт) эта кнопка не активна. Переходите к следующему кадру, лишь осмыслив результат, полученный в текущем опыте. После окончания демонстрации установкой можно управлять самостоятельно. (Если Ваше восприятие не совпадает с моими комментариями, напишите мне!)
Начнем!
Интересно, что обнаружен и так называемый «обратный эффект Комптона», когда низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию, рассеиваясь на горячих электронах. Им объясняют некоторые изменения в спектре реликтового излучения. С 1963 года метод обратного комптоновского рассеяния используется для получения монохроматических γ-пучков высоких энергий (до нескольких ГэВ) путем рассеяния лазерных фотонов на электронах (позитронах), циркулирующих в накопителях. Пучок таких фотонов полезен в исследовании ядер. Известен и процесс упругого рассеяния γ-квантов на протоне.