Эффект комптона

Compton A.H. The spectrum of Scattered X-Rays. Phys. Rev. 22, 409, (1923).

Комптоновское рассеяние - это рассеяние рентгеновских лучей на свободных электронах с изменением частоты рассеянного света.

Комптон объяснил этот эффект используя модель фотонов, как частиц, обладающих кинетической энергией и импульсом. Использовалась механическая модель сталкивающихся биллиардных шаров.

Представления о том, что фотоны являются реальными точечными частицами, как это первоначально предполагал Эйнштейн, достигло своего наивысшего развития при объяснении Комптон-эффекта.

Открытие Комптон- эффекта послужило решающим доводом в пользу принятия научной общественностью представлений о квантовой природе света (дальнейшие исследования, впрочем, показали, что все не так просто).

Рис. 22. Схема рентгеновского спектрометра.

Если вместо детектора под тем же углом  установить щель, то рентгеновский спектрометр превращается в монохроматор, выделяющий ренгеновское излучение определенной длины волны.

Для обнаружения своего эффекта Комптон заменил детектор еще одним рентгеновским монохроматором, регистрирующим смещенную длину волны излучения.

Рис. 23. Спектры рентгеновских лучей для анодов из платины, палладия и никеля. Ускоряющее напряжение 35 кВ. Ulrey C.T. An experimental Investigation of the Energy in the continuous X-Ray Spectra of Certain Elements. Phys. Rev. 11, 401 (1918).

В качестве источника монохроматического рентгеновского излучения был использован рентгеновский спектрометр, выделяющий характеристическую К_ линию молибдена с длиной волны 0,7 Ангстрём. Энергия кванта при этом равна 20 кэВ. Рассеивающее вещество – графит.

Рис. 24. Спектры рассеянного излучения (из статьи Комптона). Кальцит – кристалл используемый в рентгеновском спектрометре в качестве диыракционной решетки. CaCO₃ (исландский шпат).

Из опыта следовало, что сдвиг частоты зависит от угла рассеяния .  = const. sin²(1/2).

Рис. 25. Механическая модель комптон-эффекта. Фотон сталкивается с неподвижным электроном.

Формально фотон в данном случае можно считать механической частицей, имеющей массу m_ph = h/c². Энергия фотона Е_ф = h = m_phс².

Теория сводится к решению двух уравнений: закона сохранения импульса и закона сохранения энергии для частиц до и после рассеяния, записаных в координатной форме: вдоль направления движения фотона и в перпендикулярном направлении.

Решение приведенных уравнений:

` -  = (h/m_ec)(1 - cos).

h/m_ec = 2,43 10^-10 см = 0,0243 Ангстрёма - комптоновская длина волны электрона. Длина волны рассеянного излучения больше падающего.

Исследования комптон-эффекта с помощью камеры Вильсона показали, что электрон отдачи и рассеянный фотон коррелируют друг с другом и что в этом процессе сохраняется энергия и импульс.

Отклонение световых лучей в гравитационном поле.

Фотоны ведут себя в гравитационном поле, как материальные частицы.

Рис. 26. Гравитационная масса Солнца М изменяет (увеличивает) показатель преломления физического вакуума. Поэтому световые лучи, идущие от удаленной звезды и проходщие вблизи поверхности Солнца отклоняются. Эффект был подтвержден путем фотографирования звездного неба в момент полного солнечного затмения.

Изменение показателя преломления вакуума в гравитационном поле: U – потенциал тяготения.

Рис. 27. Гравитационное красное и синее смещение.

Р. Паунд, Дж. Ребка (1960 г.). измерили изменение частоты мёссбауэровских гамма квантов при их «падении» с высоты Н = 20 м путем регистрации сдвига частоты мёссбауэровского излучения распространяющегося вниз (или вверх). При этом энергия кванта изменяется на величину, определяемую формулой: . Относительное изменение частоты для Н = 20 м составляет

2 10^-15.