Proprietatile cele mai complete corpusculare ale luminii sunt prezentate în efectul Compton. American fizician A. Compton (1892-1962), investigarea în 1923 împrăștierea materialelor cu raze X monocromatice cu atomi ușori (parafină, bor), a constatat că o parte din radiația împrăștiată în plus față de lungimea de undă inițială a radiației este observat, de asemenea radiatii de lungimi de undă mai lungi. Experimentele au arătat că diferența Soacra = L'- l nu depinde de lungimea de undă l radiației incidente și natura materialului de împrăștiere și este determinată numai de valoarea q unghiul de împrăștiere:
unde l este lungimea de undă a radiației împrăștiate, lC este lungimea de undă Compton (atunci când fotonul este împrăștiat de un electron lC = 2.426 pm).
efectul Compton se numește împrăștierea elastică a radiației electromagnetice de unde scurte (cu raze X și g radiație) asupra (cuplate sau slab) liber substanțele electroni, însoțite de o creștere a lungimii de undă. Acest efect nu se potrivește teoria ondulatorie conform căreia lungimea de undă a împrăștierii nu trebuie să varieze: sub acțiunea unui câmp optic periodic variază în funcție de frecvența câmpului de electroni și, prin urmare, emite undele împrăștiate de aceeași frecvență.
Explicația efectului Compton este dată pe baza unor concepte cuantice despre natura luminii. Dacă se presupune, deoarece face teoria cuantică că radiația are un caracter corpuscular, adică este un flux de fotoni, efectul Compton - .. Rezultatul ciocnirilor elastice de fotoni cu raze X, cu substanță de electroni liberi (pentru atomii de lumină electroni sunt slab legați la nucleele atomice, astfel lor pot fi considerate libere). În timpul acestei coliziuni, fotonul transferă o parte electronică a energiei și impulsului său, în conformitate cu legile conservării lor.
Să considerăm coliziunea elastică a două particule (Fig.44) - un foton incident care are un moment pg = h # 957; / s și energie # 949; g = h # 957; cu un electron liber de odihnă (energia de odihnă W0 = m0σ2; m0 este masa de repaus a electronului). Fotonul, care se ciocnește cu electronul, îi transferă o parte din energia și impulsul său și schimbă direcția mișcării (disipată). O scădere a energiei fotonice înseamnă o creștere a lungimii de undă a radiației împrăștiate. Fie impulsul și energia fotonului împrăștiat egale cu p'g = h # 957; / s și # 949; 'g = h # 957;'. Un electron care a rămas anterior a dobândit un impuls p = m # 965; , energia W = mc 2 și vine în mișcare - se confruntă cu recul. Pentru fiecare astfel de ciocnire, legile conservării energiei și a momentului sunt satisfăcute.
Conform legii conservării energiei,
dar conform legii conservării momentului,
Înlocuindu-se în (206.2) valorile cantităților și introducerea (206.3) în conformitate cu Fig. 38, ajungem
Masa electronului recul este legată de viteza sa # 965; (vezi 39.1). Ridicând (206.4) într-un pătrat și apoi scăzând (206.5) de la acesta și luând în considerare (39.1), obținem
Expresia (206.6) nu este nimic mai mult decât formula (206.1) obținută experimental de Compton. Înlocuirea valorilor lui h în el. m0 și c dă lungimea de undă Compton a electronului lC = h / (m0σ) = 2.426 pm.
Prezența în radiația împrăștiată a liniei "neschimbate" (radiația lungimii de undă originale) poate fi explicată după cum urmează. Când sa luat în considerare mecanismul de împrăștiere, sa presupus că fotonul se ciocneste numai cu un electron liber. Totuși, dacă un electron este puternic cuplat cu un atom, cum este cazul electronilor interni (în special la atomii grei), fotonul schimbă energia și impulsul cu atomul ca întreg. Deoarece masa unui atom este foarte mare comparativ cu masa unui electron, doar o fracțiune neglijabilă a energiei fotonice este transmisă atomului. Prin urmare, în acest caz, lungimea de undă l 'a radiației împrăștiate nu va fi practic diferită de lungimea de undă λ a radiației incidentate.
Din considerentele de mai sus, rezultă de asemenea că efectul Compton nu poate fi observată în domeniul vizibil, deoarece energia fotonului este comparabil cu lumina vizibilă cu energia de legătură a electronilor unui atom, în care electronul extern chiar imposibil să ia în considerare liber.
Efectul Compton se observă nu numai pe electroni, ci și pe alte particule încărcate, de exemplu, protoni, dar datorită masei mari a protonului, reculul este "vizibil" numai atunci când fotoni de energie foarte mare sunt împrăștiați.
Atât efectul Compton cât și efectul fotoelectric pe baza reprezentărilor cuantice se datorează interacțiunii fotonilor cu electronii. În primul caz, fotonul este împrăștiat, în al doilea caz este absorbit. Scattering se produce atunci când fotonul interacționează cu un electron liber și efectul fotoelectric cu electroni legați. Se poate demonstra că atunci când un foton se ciocnește cu un electron liber, absorbția fotonului nu poate avea loc, deoarece aceasta este în contradicție cu legile conservării impulsului și energiei. Prin urmare, atunci când interacționează fotoni cu electroni liberi, se observă numai împrăștierea lor, adică efectul Compton.
Ecuațiile de bază care conectează proprietățile corpusculare ale radiației electromagnetice (energia și impulsul unui foton) cu proprietăți de undă (frecvență și lungime de undă):
TEMA 3.5. NUCLEI ATOMICI ȘI FORȚE NUCLEARE
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: