Efectul Compton, împrăștierea elastică a radiației electromagnetice de către electronii liberi, însoțită de o creștere a lungimii de undă; Se observă în împrăștierea radiațiilor de lungimi de undă mici - radiații X și radiații gamma.
Radiație gamma). În K. e. Pentru prima dată, proprietățile corpusculare ale radiațiilor s-au manifestat în întregime.
K. e. a fost descoperit în 1922 de fizicianul american A. Compton, care a descoperit că razele X dispersate în parafină au o lungime de undă mai lungă decât cele incidentale. Teoria clasică nu a putut explica o astfel de schimbare în lungimea de undă. Într-adevăr, în conformitate cu electrodinamică clasice (A se vedea. Electrodinamică), sub acțiunea unui câmp electric periodic al unui electromagnetic de electroni (lumina) unde trebuie să oscileze cu o frecvență egală cu câmp și, prin urmare, emit unde secundare (dispersate) de aceeași frecvență. Astfel, cu dispersarea "clasică" (a cărei teorie a fost dată de fizicianul englez JJ Thomson și care este deci numită "Thomson"), lungimea undei luminoase nu se schimbă.
Teoria originală a K. e. pe baza reprezentărilor cuantice a fost dată de A. Compton și independent de P. Debye (a se vedea Debye). În teoria cuantică, un val de lumină este un flux de fotoni cuantic de lumină. Fiecare foton are o anumita energie Eγ = hυ = hcl λ și puls pγ = (h / λ) n, unde λ - lungime de undă a luminii incidente (υ - frecvența ei), c - vitezei luminii, h - constanta lui Planck, și n - unitate vector în direcția propagării valurilor (indicele y reprezintă un foton). K. e. în teoria cuantică arată o coliziune elastică a două particule - un foton incident și un electron de odihnă. În fiecare astfel de act de coliziune se respectă legile conservării energiei și a momentului. Un foton, care se ciocnește cu un electron, îi transferă o parte din energia și impulsul său și schimbă direcția mișcării (este disipată); o scădere a energiei fotonice și înseamnă o creștere a lungimii de undă a luminii împrăștiate. Un electron, odihnit anterior, primește energie și impuls din foton și intră în mișcare - experimentează recul. Direcția de mișcare a particulelor după coliziune, precum și energia lor, sunt determinate de legile conservării energiei și momentului (Figura 1).
Soluție simultană a ecuațiilor care exprimă egalitatea energiei totale și impulsul total al particulelor înainte și după ciocnire (presupunând că restul de electroni înainte de coliziune) dă pentru lungimea de undă de forfecare de lumină formula Δλ Compton:
Acolo unde λ „- lungimea lungimii de undă de lumină difuză, θ - unghiul de împrăștiere fotonică și λ0 = h / mc = 2,426 ∙ 10 -10 cm = 0.024 E - așa-numita lungime de unda Compton (m - masa de electroni). Din formula Compton rezultă că schimbarea lungimii de undă Δλ nu depinde de lungimea de undă λ a luminii incidente în sine. Se determină numai prin unghiul de împrăștiere a fotonului θ și maxim la θ = 180 °, adică în cazul împrăștierii înapoi: Δλ max = 2 λ0.
Din aceleași ecuații se pot obține expresii pentru energia Ee a electronului de recul (electronul "Compton") în funcție de unghiul de emisie φ. Dependența energiei fotonului împrăștiat pe unghiul de împrăștiere θ este reprezentată grafic, precum și dependența lui Ee de φ asociată acestuia. Se observă din figură că electronii reculului au întotdeauna o componentă de viteză în direcția de mișcare a fotonului incident (adică φ nu depășește 90 °).
Experimentul a confirmat toate predicțiile teoretice. Astfel, sa demonstrat experimental corectitudinea noțiunilor corpusulare ale mecanismului mecanicii cuantice. și astfel corectitudinea ipotezelor inițiale ale teoriei cuantice.
În experimente reale privind împrăștierea fotonilor prin materie, electronii nu sunt liberi, ci sunt legați în atomi. Daca fotonii au o energie mare în comparație cu energia de legătură a electronilor în atomul (fotoni de raze X și γ-radiație), astfel încât electronii experimenta un impact puternic, care sunt dislocați din atom. În acest caz, împrăștierea fotonilor are loc atât pe electronii liberi. Dacă, totuși, energia fotonului este insuficientă pentru a rupe un electron dintr-un atom, fotonul schimbă energia și impulsul cu atomul ca întreg. Deoarece masa atomului este foarte mare (comparativ cu masa echivalentă a unui foton egal, conform relativității teoriei, Eγ / c 2), practic nu există recul; prin urmare, fotonul se va împrăștia fără a-și schimba energia, adică fără a schimba lungimea de undă (așa cum se spune coerent). Atomii grei sunt legați slab doar electroni periferice (spre deosebire de electroni de umplere învelișul interior al atomului) și, prin urmare, în spectrul radiației împrăștiate este prezent ca un offset, linia Compton de la împrăștierea electronilor periferice și necompensat, linie coerentă de împrăștiere atom în general . Odată cu creșterea numărului atomic (adică taxa nucleară) energia de legătură a electronilor crește și intensitatea relativă a liniei Compton cade, iar legătura coerentă - crește.
Mișcarea electronilor în atomi duce la o lărgire a liniei Compton de radiație împrăștiată. Acest lucru se datorează faptului că electronii se deplasează la lungimea de undă de lumină incidente pare oarecum modificată, cantitatea de schimbare depinde de mărimea și direcția vitezei de electroni (vezi. Efectul Doppler). măsurarea atentă a distribuției intensității în interiorul liniei Compton, reflectând distribuția electronilor de împrăștiere a vitezei materialului, confirmat corectitudinea teoriei cuantice care electronii se supun Fermi - statistici Dirac (A se vedea Fermi -. Statisticile Dirac).
Teoria simplificată a mecanicii cuantice a fost luată în considerare. nu ne permite să calculam toate caracteristicile împrăștierii Compton, în special intensitatea împrăștierii fotonilor din unghiuri diferite. Teoria completă a K. et. oferă electrodynamică cuantică. Intensitatea împrăștierii Compton depinde atât de unghiul de împrăștiere, cât și de lungimea de undă a radiației incidentate. În distribuția angulară a fotonilor împrăștiați, se observă asimetrie: mai mulți fotoni sunt împrăștiați în direcția înainte și această asimetrie crește cu energia fotonilor incidente. Intensitatea totală a împrăștierii Compton scade cu creșterea energiei fotonilor primari; acest lucru înseamnă că probabilitatea de împrăștiere a unui foton care trece printr-o substanță scade cu energia sa. O astfel de dependență de intensitate pe Eγ determină poziția câmpului cuantic. printre alte efecte ale interacțiunii radiației cu materia, responsabile pentru pierderile de energie prin fotoni în timpul trecerii lor prin materie. De exemplu, în plumb (în articolul Gamma-radiation) K. e. dă principala contribuție la pierderile de energie ale fotonilor la energii de ordinul 1-10 Mev (în elementul mai ușor - aluminiu - acest interval este de 0,1-30 MeV); sub această zonă, Photoeffect concurează cu succes cu ea, și mai sus - nașterea de perechi (a se vedea Annihilarea și nașterea de perechi).
Compton împrăștiere este larg utilizat în studiile de radiații gamma de nuclee, și, de asemenea, subliniază principiul de funcționare a anumitor spectrometre gamma.
K. e. este posibil nu numai pe electroni, ci și pe alte particule încărcate, de exemplu, pe protoni, dar datorită masei mari a protonului reculul său este notabil numai atunci când fotoni de energie foarte mare sunt împrăștiați.
Dublu K.E. - formarea a doi fotoni împrăștiați în loc de un primar în timpul împrăștierii sale de către un electron liber. Existența unui astfel de proces rezultă din electrodinamica cuantică; Pentru prima dată a fost observată în 1952. Probabilitatea lui este de aproximativ 100 de ori mai mică decât probabilitatea de obișnuită K. e.
Reverse efect Compton. În cazul în care electronii care este împrăștiate radiații electromagnetice sunt relativiste (adică se deplasează la viteze apropiate de viteza luminii), cazul lungimii de undă de imprastiere elastică va fi redusă, adică fotonii de energie (și impulsul) va crește datorită energiei (și impulsul ) a electronilor. Acest fenomen este denumit invers. Reverse K.E. este folosit adesea pentru a explica mecanismul surselor de radiație de raze spațiu, X-ray componenta de formare a galactice radiației de fond, transformarea undelor plasmatice în undei electromagnetice de frecvență înaltă.
REFERINȚE Născut M. Physics Atomic, trans. cu engleza. 3 ed. M. 1970; Heitler V. Teoria cuantică a radiației. M. 1956.
Fig. 1. Coliziunea elastică a unui foton și a unui electron într-un efect Coulomb. Înainte de coliziune, electronul era în repaus; pν și pν '- fotoni incidenți și împrăștiați, - moment de recul (v
- viteza lui), împrăștierea fotonilor și θ este unghiul de emisie al electronului de recul în raport cu direcția fotonului incident.
Fig. 2. Dependența împrăștiată E y energie fotonică“a unghiul de împrăștiere (pentru comoditate arată doar jumătatea superioară a curbei simetrice) și energia de recul a electronilor Ee a unghiului cp emisie (jumătatea inferioară a curbei). Valorile referitoare la un act de împrăștiere sunt etichetate cu aceleași numere. Vectori realizate dintr-un punct O în care coliziunea sa produs Eγ energia fotonică cu un electron în repaus, la punctele corespunzătoare ale acestor curbe reprezintă starea particulelor după dispersie: valori vectoriale da particule de energie, iar unghiurile formate de vectorii cu direcția fotonului incident este unghiul de împrăștiere determinată fotonul θ și unghiul de emisie al electronului de recul φ. (Graficul este reprezentat grafic pentru cazul împrăștierii unor raze X "dure" cu o lungime de undă de hc / Eγ = λ0 = 0,024Å.
Fig. 3. Graficul dependenței intenției totale de împrăștiere Compton de energia fotonului Eγ (în unități din intensitatea totală a împrăștierii clasice); săgeata indică energia la care începe producția de perechi de electroni-pozitivi.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: