Efekt Comptona: kamień węgielny mechaniki kwantowej. Efekt Comptona i jego elementarna teoria Niepowodzenie fizyki klasycznej w wyjaśnieniu efektu Comptona

1. Wstęp.

2. Eksperyment.

3. Wyjaśnienie teoretyczne.

4. Zgodność danych eksperymentalnych z teorią.

5. Z klasycznego punktu widzenia.

6. Wniosek.

EFEKT COMPTONA polega na zmianie długości fali, która towarzyszy rozpraszaniu wiązki promieniowania rentgenowskiego w cienkiej warstwie materii. Zjawisko to było znane na kilka lat przed pracami Arthura Comptona, który w 1923 roku opublikował wyniki starannie przeprowadzonych eksperymentów potwierdzających istnienie tego efektu, a jednocześnie zaproponował jego wyjaśnienie. (Wkrótce P. Debye podał niezależne wyjaśnienie, dlaczego zjawisko to jest czasami nazywane efektem Comptona-Debye'a).

W tamtym czasie istniały dwa zupełnie różne sposoby opisywania interakcji światła z materią, z których każdy został potwierdzony znaczną ilością danych eksperymentalnych. Z jednej strony teoria promieniowania elektromagnetycznego Maxwella (1861) stwierdziła, że ​​światło jest ruchem falowym pól elektrycznych i magnetycznych; z drugiej strony kwantowa teoria Plancka i Einsteina dowiodła, że ​​w pewnych warunkach wiązka światła przechodząc przez substancję wymienia z nią energię, a proces wymiany przypomina zderzenie cząstek. Znaczenie pracy Comptona polegało na tym, że było to najważniejsze potwierdzenie teorii kwantowej, ponieważ wykazując niezdolność teorii Maxwella do wyjaśnienia danych eksperymentalnych, Compton zaproponował proste wyjaśnienie oparte na hipotezie kwantowej.

Rozpraszanie promieni rentgenowskich z falowego punktu widzenia wiąże się z wymuszonymi oscylacjami elektronów substancji, tak że częstotliwość światła rozproszonego musi być równa częstotliwości światła padającego. Dokładne pomiary przeprowadzone przez Comptona wykazały jednak, że wraz z promieniowaniem o stałej długości fali, w rozproszonym promieniowaniu rentgenowskim pojawia się promieniowanie o nieco większej długości fali.

Compton przeprowadził eksperyment dotyczący rozpraszania promieniowania rentgenowskiego na graficie. Wiadomo, że widzialne światło rozrzucone na bardzo małych, ale wciąż makroskopowych obiektach (na kurzu, na małych kroplach cieczy). Z kolei promieniowanie rentgenowskie, jako światło o bardzo krótkiej długości fali, musi być rozpraszane przez atomy i pojedyncze elektrony. Istota eksperymentu Comptona była następująca. Wąska skierowana wiązka monochromatycznych promieni rentgenowskich jest kierowana na małą próbkę grafitu (można do tego celu użyć innej substancji)

Wiadomo, że promienie rentgenowskie mają dobrą zdolność przenikania: przechodzą przez grafit, a jednocześnie część z nich jest rozpraszana we wszystkich kierunkach przez atomy grafitu. W takim przypadku naturalne jest oczekiwanie, że zostanie przeprowadzone rozpraszanie:

1) na elektronach z głębokich powłok atomowych (są one dobrze związane z atomami i nie odrywają się od atomów w procesach rozpraszania),

2) na zewnętrznych elektronach walencyjnych, które wręcz przeciwnie, są słabo związane z jądrami atomów. W odniesieniu do oddziaływania z takimi twardymi wiązkami jak promieniowanie rentgenowskie można je uznać za swobodne (tj. pomijając ich wiązanie z atomami).

Interesujące było rozpraszanie drugiego rzędu. Rozproszone wiązki rejestrowano pod różnymi kątami rozpraszania, a długość fali rozproszonego światła mierzono za pomocą spektrografu rentgenowskiego. Spektrograf jest wolno kołyszącym się kryształem znajdującym się w niewielkiej odległości od filmu: kiedy kryształ jest kołysany, znajduje się kąt dyfrakcji, który spełnia warunek Wulfa-Bragga. Stwierdzono zależność różnicy długości fal światła padającego i rozproszonego od kąta rozproszenia. Zadaniem teorii było wyjaśnienie tej zależności.

Zgodnie z teorią Plancka i Einsteina energia światła ma określoną częstotliwość ν transmitowane porcjami - kwanty (lub fotony), których energia E jest równa stałej Plancka h, pomnożonej przez ν . Compton natomiast sugerował, że foton przenosi pęd, który (jak wynika z teorii Maxwella) jest równy energii E podzielonej przez prędkość światła c. Podczas zderzenia z elektronem docelowym kwant promieniowania rentgenowskiego przekazuje mu część swojej energii i pędu. W efekcie rozproszony kwant wylatuje z celu z mniejszą energią i pędem, a co za tym idzie, z mniejszą częstotliwością (czyli z dłuższą długością fali). Compton zwrócił uwagę, że każdy rozproszony kwant musi odpowiadać szybkiemu odrzutowi elektronu wybitemu przez foton pierwotny, co obserwuje się eksperymentalnie.

Rozważ światło z punktu widzenia fotonów. Przyjmiemy, że pojedynczy foton jest rozproszony, tj. zderza się z wolnym elektronem (pomijamy wiązanie między elektronem walencyjnym a atomem). W wyniku zderzenia przejmuje elektron, który uważamy za znajdujący się w spoczynku znana prędkość, a stąd odpowiednia energia i pęd; foton natomiast zmienia kierunek ruchu (rozprasza) i zmniejsza swoją energię (maleje jego częstotliwość, czyli zwiększa się długość fali). Rozwiązując problem zderzenia dwóch cząstek: fotonu i elektronu, zakładamy, że zderzenie zachodzi zgodnie z prawami zderzenia sprężystego, w których energia i pęd zderzających się cząstek muszą być zachowane.

Przy układaniu równania zachowania energii należy wziąć pod uwagę zależność masy elektronu od prędkości, ponieważ prędkość elektronu po rozproszeniu może być znaczna. Zgodnie z tym energia kinetyczna elektronu będzie wyrażana jako różnica między energią elektronu po i przed rozproszeniem, tj.

Energia elektronu przed zderzeniem jest równa

Energia fotonu przed zderzeniem - , po zderzeniu -

Podobnie pęd fotonu przed zderzeniem

Tak więc, w jawnej formie, prawa zachowania energii i pędu przybierają postać:

Drugie równanie jest wektorowe. Jego graficzny wyświetlacz pokazano na rysunku.

Zgodnie z trójkątem wektorowym pędów dla boku przeciwnego do kąta θ mamy

Przekształcamy pierwsze równanie (1.1): przegrupowujemy wyrazy równania i podnosimy do kwadratu obie jego części.

Odejmij (1,3) od (1,2):

Dodając (1.4) i (1.5) otrzymujemy:

Zgodnie z pierwszym równaniem (1.1) przekształcamy prawą stronę równania (1.6). Otrzymujemy następujące.

EFEKT COMPTONA (Compton scattering), rozpraszanie twardego (krótkofalowego) promieniowania elektromagnetycznego przez swobodnie naładowane cząstki, któremu towarzyszy zmiana długości fali rozproszonego promieniowania. Został odkryty przez A. Comptona w 1922 r. podczas rozpraszania twardego promieniowania rentgenowskiego w graficie, którego elektrony atomowe rozpraszające promieniowanie można z dobrą dokładnością uznać za wolne (ponieważ częstotliwość promieni rentgenowskich znacznie przekracza charakterystyczne częstotliwości elektronów ruch lekkich atomów). Według pomiarów Comptona początkowa długość fali promieniowania rentgenowskiego λ 0, gdy zostało ono rozproszone pod kątem θ, wzrosła i okazała się równa

gdzie λ C jest stałą wartością dla wszystkich substancji, zwaną długością fali Comptona elektronu. (Częściej stosuje się wartość λ С = λ/2π = 3,86159268·10 -11 cm) Efekt Comptona ostro zaprzecza klasycznej falowej teorii światła, zgodnie z którą długość fali promieniowania elektromagnetycznego nie powinna się zmieniać, gdy jest ono rozpraszane przez swobodne elektrony. Dlatego odkrycie efektu Comptona było jednym z najważniejszych faktów wskazujących na dwoistą naturę światła (patrz dualizm korpuskularno-falowy). Wyjaśnienie efektu, podane przez Comptona i niezależnie od niego przez P. Debye'a, jest takie, że kwant γ o energii E \u003d ћω i pędzie p \u003d ћk, zderzając się z elektronem, przenosi część swojej energii do w zależności od kąta rozproszenia. (Tutaj ћ to stała Plancka, ω to częstotliwość cykliczna fali elektromagnetycznej, k to jej wektor falowy |k|= ω/s, powiązany z długością fali zależnością λ = 2π|k|.) Zgodnie z prawami zachowanie energii i pędu, energia γ- kwantowa rozproszona przez elektron w spoczynku jest równa

co w pełni odpowiada długości fali promieniowania rozproszonego λ'. W tym przypadku długość fali Comptona elektronu wyraża się za pomocą podstawowych stałych: masy elektronu m e, prędkości światła c i stałej Plancka ћ: λ С = ћ/m e c. Pierwszym jakościowym potwierdzeniem takiej interpretacji efektu Comptona była obserwacja w 1923 roku przez CTR Wilsona odrzutu elektronów, gdy powietrze zostało napromieniowane promieniami rentgenowskimi w wynalezionej przez niego komorze (komorze Wilsona). Szczegółowe badania ilościowe efektu Comptona przeprowadził D. V. Skobeltsyn, który jako źródło wysokoenergetycznych kwantów γ wykorzystał preparat radioaktywny RaC (214 Bi), a jako detektor komorę chmurową umieszczoną w polu magnetycznym. Dane Skobeltsyna zostały później wykorzystane do przetestowania elektrodynamiki kwantowej. W wyniku tej weryfikacji szwedzki fizyk O. Klein, japoński fizyk Y. Nishina i I. E. Tamm stwierdzili, że efektywny przekrój efektu Comptona maleje wraz ze wzrostem energii kwantów γ (tj. ze spadkiem w długości fali promieniowania elektromagnetycznego), a przy długościach fal znacznie przekraczających długość Comptona dąży do granicy σ T \u003d (8π / 3) r mi 2 \u003d 0,6652459 · 10 -24 cm 2, wskazanej przez J. J. Thomsona na podstawie fali teoria (re \u003d e 2 / m e s 2 - klasyczny promień elektronu).

Efekt Comptona obserwuje się przy rozpraszaniu kwantów γ nie tylko przez elektrony, ale także przez inne cząstki o większej masie, ale efektywny przekrój poprzeczny jest w tym przypadku o kilka rzędów wielkości mniejszy.

W przypadku, gdy kwant γ jest rozpraszany nie przez spoczywający, ale poruszający się (zwłaszcza relatywistyczny) elektron, energia może zostać przeniesiona z elektronu na kwant γ. Zjawisko to nazywane jest odwrotnym efektem Comptona.

Efekt Comptona, wraz z efektem fotoelektrycznym i wytwarzaniem par elektron-pozyton, jest głównym mechanizmem absorpcji twardego promieniowania elektromagnetycznego w materii. Względna rola efektu Comptona zależy od liczby atomowej pierwiastka i energii promieni γ. Na przykład w ołowiu efekt Comptona ma największy udział w utracie fotonów w zakresie energii 0,5-5 MeV, w aluminium w zakresie 0,05-15 MeV (ryc.). W tym zakresie energii rozpraszanie Comptona służy do wykrywania promieni γ i pomiaru ich energii.

Efekt Comptona odgrywa ważną rolę w astrofizyce i kosmologii. Na przykład określa proces przenoszenia energii przez fotony z centralnych obszarów gwiazd (gdzie zachodzą reakcje termojądrowe) na ich powierzchnię, czyli ostatecznie jasność gwiazd i tempo ich ewolucji. Ciśnienie światła spowodowane rozpraszaniem określa krytyczną jasność gwiazd, od której zaczyna się rozszerzać powłoka gwiazdy.

We wczesnym rozszerzającym się Wszechświecie rozpraszanie Comptona utrzymywało temperaturę równowagi między materią a promieniowaniem w gorącej plazmie protonów i elektronów, aż do powstania atomów wodoru z tych cząstek. Dzięki temu anizotropia kątowa kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła dostarcza informacji o pierwotnych fluktuacjach materii, prowadzących do powstania wielkoskalowej struktury Wszechświata. Odwrotny efekt Comptona wyjaśnia istnienie składowej rentgenowskiej promieniowania galaktycznego tła i promieniowania γ niektórych źródeł kosmicznych. Kiedy kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła przechodzi przez obłoki gorącego gazu w odległych galaktykach, z powodu odwrotnego efektu Comptona, w widmie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pojawiają się zniekształcenia, które dostarczają ważnych informacji o Wszechświecie (patrz efekt Suniajewa-Zeldowicza).

Odwrotny efekt Comptona umożliwia uzyskanie quasi-monochromatycznych wiązek wysokoenergetycznych kwantów γ poprzez rozpraszanie promieniowania laserowego na zderzającej się wiązce przyspieszonych ultrarelatywistycznych elektronów. W niektórych przypadkach odwrotny efekt Comptona uniemożliwia wdrożenie reakcje termojądrowe synteza w warunkach ziemskich.

Dosł.: Spektroskopia alfa, beta i gamma. M., 1969. Wydanie. 1-4; Shpolsky EV Fizyka atomowa. M., 1986. T. 1-2.

Na wielka energia fotonów, w szczególności dla promieniowania rentgenowskiego (~ 0,1 MeV), proces absorpcji fotonów przez elektrony materii staje się mało prawdopodobny. W tym przypadku podczas oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią obserwuje się jego rozpraszanie ze zmianą kierunku propagacji.

Rzeczywiście, w układzie odniesienia, w którym początkowo spoczywał swobodny elektron, prawo zachowania energii, uwzględniające możliwe relatywistyczne prędkości elektronu po zderzeniu, można zapisać w postaci

gdzie jest masa spoczynkowa elektronu, - czynnik relatywistyczny, - prędkość elektronu po zderzeniu z fotonem, - częstotliwość promieniowania padającego, - częstotliwość promieniowania rozproszonego.

Rozpraszanie fotonu przez swobodny elektron

Dzieląc wyrazy równania (1.60) przez , można je przekształcić do postaci

Gdzie , .

Należy zauważyć, że już prawo zachowania energii (6.41.14) wyjaśnia jakościowo efekt Comptona. Rzeczywiście, ponieważ > , to z (6.41.14) wynika, że ​​> (< ) .

Podnieśmy do kwadratu lewą i prawą stronę równania (6.41.15):

(6.41.16)

W sprężystym zderzeniu fotonu z elektronem spełnione jest również prawo zachowania pędu, które można zapisać w postaci

(6.41.17)

Skonstruowawszy diagram wektorowy zasady zachowania pędu, z trójkąta pędu znajdujemy to

gdzie jest kątem między kierunkami padającego i rozproszonego promieniowania.

trójkąt pulsacyjny

Odejmij od wyrażenia (6.41.16) (6.41.18):

Wyrażenie (6.41.19) można przekształcić do postaci:

Mnożąc wyrazy równości (6.41.20) przez 2 i dzieląc przez , otrzymujemy:

(6.41.21)

Ponieważ ostatecznie otrzymujemy wzór Comptona:

Należy zauważyć, że znaczna część elektronów materii nie jest wolna, ale jest związana z atomami. Jeżeli energia kwantu promieniowania jest duża w porównaniu z energią wiązania elektronu, to rozpraszanie na takim elektronie zachodzi jak na elektronie swobodnym. W przeciwnym razie, rozpraszając się na związanym elektronie, foton wymienia energię i pęd z praktycznie całym atomem jako całością. Przy takim rozpraszaniu ze wzoru (6.41.22) można również skorzystać do obliczenia zmiany długości fali promieniowania, gdzie jednak przez należy rozumieć masę całego atomu. Zmiana ta okazuje się być tak mała, że ​​praktycznie nie można jej wykryć eksperymentalnie.

W zakresie energii kwantowej 0,1–10 MeV efekt Comptona jest głównym fizycznym mechanizmem utraty energii promieniowania β podczas jego propagacji w materii. Dlatego rozpraszanie Comptona jest szeroko stosowane w badaniach promieniowania β z jąder atomowych. Leży u podstaw zasady działania niektórych spektrometrów gamma.

Efekt Comptona
Efekt Comptona

Efekt Comptona - rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego przez swobodny elektron, któremu towarzyszy spadek częstotliwości promieniowania (odkryte przez A. Comptona w 1923 r.). Promieniowanie elektromagnetyczne zachowuje się w tym procesie jak strumień pojedynczych cząstek - korpuskuł (które w tym przypadku są kwantami pola elektromagnetycznego - fotonami), co dowodzi dualności - korpuskularno-falowej - natury promieniowania elektromagnetycznego. Z punktu widzenia elektrodynamiki klasycznej rozpraszanie promieniowania ze zmianą częstotliwości jest niemożliwe.
Rozpraszanie Comptona to rozpraszanie przez swobodny elektron pojedynczego fotonu o energii E = hν = hc/λ (h to stała Plancka, ν to częstotliwość fali elektromagnetycznej, λ to jej długość, c to prędkość światła) i pęd p = E/s. Rozpraszając się na spoczynkowym elektronie, foton przekazuje mu część swojej energii i pędu oraz zmienia kierunek jego ruchu. W wyniku rozproszenia elektron zaczyna się poruszać. Foton po rozproszeniu będzie miał energię E " = hν " (i częstotliwość) mniejsza niż jego energia (i częstotliwość) przed rozproszeniem. Odpowiednio, po rozproszeniu, długość fali fotonu λ " wzrośnie. Z praw zachowania energii i pędu wynika, że ​​długość fali fotonu po rozproszeniu wzrośnie o

gdzie θ to kąt rozpraszania fotonu, a m e to masa elektronu h/m e c = 0,024 Å nazywamy długością fali Comptona elektronu.
Zmiana długości fali podczas rozpraszania Comptona nie zależy od λ i jest określona jedynie przez kąt rozpraszania θ kwantu γ. Energię kinetyczną elektronu określa zależność

Efektywny przekrój poprzeczny rozpraszania kwantowego γ przez elektron nie zależy od właściwości materiału absorbera. Efektywny przekrój tego samego procesu, na atom, proporcjonalna do liczby atomowej (lub liczby elektronów w atomie) Z.
Przekrój poprzeczny rozpraszania Comptona maleje wraz ze wzrostem energii kwantowej γ: σ k ~ 1/E γ .

Odwrotny efekt Comptona

Jeżeli elektron, na którym rozproszony jest foton, jest ultrarelatywistyczny Ee >> E γ , to w takim zderzeniu elektron traci energię, a foton zyskuje energię. Taki proces rozpraszania jest wykorzystywany do otrzymywania monoenergetycznych wiązek wysokoenergetycznych kwantów γ. W tym celu strumień fotonów z lasera jest rozpraszany pod dużymi kątami przez wiązkę wysokoenergetycznych przyspieszonych elektronów wydobywaną z akceleratora. Takie źródło γ-kwantów o dużej energii i gęstości nazywa się Ł aser- mi elektroniczny- G mama- S nasze (NOGI). W obecnie działającym źródle LEGS promieniowanie laserowe o długości fali 351,1 μm (~0,6 eV) jest przekształcane w wiązkę promieniowania γ o energii 400 MeV w wyniku rozpraszania przez elektrony przyspieszane do energii 3 GeV).
Energia rozproszonego fotonu E γ zależy od prędkości v rozpędzonej wiązki elektronów, energii E γ0 i kąta zderzenia θ fotonów promieniowania laserowego z wiązką elektronów, kąta między φ kierunkami ruchu pierwotnego i rozproszone fotony

W zderzeniu czołowym

E 0 to całkowita energia elektronu przed oddziaływaniem, mc 2 to energia spoczynkowa elektronu.
Jeżeli kierunek prędkości początkowych fotonów jest izotropowy, to średnią energię rozproszonych fotonów γ określa zależność

γ = (4E γ /3) (E mi /mc 2).

Kiedy elektrony relatywistyczne są rozpraszane przez mikrofalowe promieniowanie tła, powstaje izotropowe promieniowanie rentgenowskie o energii
Eγ = 50–100 keV.
Eksperyment potwierdził przewidywaną zmianę długości fali fotonu, co świadczyło na korzyść korpuskularnej koncepcji mechanizmu efektu Comptona. Efekt Comptona, wraz z efektem fotoelektrycznym, był przekonującym dowodem słuszności początkowych założeń teorii kwantowej o korpuskularno-falowej naturze cząstek mikroświata.

Aby uzyskać więcej informacji na temat odwrotnego efektu Comptona, zob.

EFEKT COMPTONA(efekt Comptona, rozpraszanie Comptona) - rozpraszanie e-mag. fale na swobodnym elektronie, któremu towarzyszy spadek częstotliwości. Efekt obserwuje się dla wysokich częstotliwości rozproszonego e-mag. promieniowanie (w obszarze rentgenowskim i wyższym). Przejawiło się to już w pierwszych eksperymentach z rozpraszaniem rstg; promieni na swobodnych elektronach, ale został po raz pierwszy zbadany z wymaganą dokładnością przez A. Comptona w latach 1922-23. Historycznie K. e. był jednym z dowody na korzyść korpuskularnej natury e-magn. promieniowanie (zwłaszcza światło). Z klasycznego punktu widzenia rozpraszanie elektrodynamiczne ze zmianą częstotliwości jest niemożliwe.

Elementarną teorię efektu podał A. Comp-ton i niezależnie od niego P. Debye, opartą na idei, że promieniowanie rentgenowskie. składa się z promieniowania fotony Aby wyjaśnić ten efekt, trzeba było założyć, że foton ma zarówno energię, jak i pęd (tutaj v i to częstotliwość i długość fali światła, P jest wektorem jednostkowym w kierunku propagacji fali).

Compton rozważał sprężyste rozpraszanie fotonu przez swobodny elektron w spoczynku (co jest dobrym przybliżeniem rozpraszania fotonów promieniowania rentgenowskiego przez elektrony atomowe atomów światła). Podczas rozpraszania foton przekazuje elektronowej części energii i pędu, co odpowiada zmniejszeniu częstotliwości (wzrostowi długości fali) rozproszonego światła. Z praw zachowania energii i pędu uzyskał wzór na zmianę długości fali:

gdzie są długości fal przed i po rozproszeniu, to kąt rozproszenia, M e jest masą elektronu. Nazwa parametru Długość fali Comptona elektron i jest równy 2,4 * 10 -10 cm Z kinematyki procesu łatwo jest również określić energię i pęd odrzutu elektronu.

Ponieważ f-la (*) opiera się tylko na kinematch. rozważań, okazuje się, że jest ona słuszna również w teorii dokładnej. Wynika z tego, że dotyczy. zmiana długości fali jest duża tylko dla krótkich długości fal, gdy

Uproszczona teoria efektu podana przez Comptona nie pozwala na określenie wszystkich charakterystyk rozpraszania Comptona, aw szczególności zależności intensywności rozpraszania od . Dokładna teoria relatywistyczna K. e. została sformułowana w ramach elektrodynamika kwantowa. (CO BYŁO DO OKAZANIA). W teorii zaburzeń drugiego rzędu K. e. w QED jest opisany przez dwa Diagramy Feynmana pokazany na ryc. 1. Obliczenia z tych diagramów (za pomocą Równania Diraca dla elektronu) różn. sekcja K.e. prowadzi do Formuła Kleina - Nishiny, co dobrze zgadza się z eksperymentem.

Ryż. Rys. 1. Diagramy Fsynmana dla efektu Comptona: e, u - odpowiednio elektron i foton w stanie początkowym i końcowym; e* to wirtualny elektron w stanie pośrednim.

dla K.e. przy wysokich energiach rozproszone promieniowanie jest ostro skierowane w kierunku fotonu pierwotnego; wraz ze wzrostem energii fotonu łuk ten. wzrasta asymetria. Pełny efekt. przekrój poprzeczny rozpraszania Comptona (uzyskany przez całkowanie po kątach f-ly Kleina-Nishiny) maleje wraz ze wzrostem (ryc. 2).

K. e. jest jednym z głównych mechanizmów determinujących utratę energii podczas przechodzenia promieniowania przez materię. Abs. sekcja K. e., a także jej związek z sekcjami efekt fotoelektryczny I pary urodzenia elektron-pozyton w rzeczywistych substancjach silnie zależy od at. liczby Z. na ryc. 2 pokazuje stosunek tych procesów w ołowiu. W granicy zerowych częstotliwości całkowity przekrój K. e. na oddzielnym elektron przechodzi do przekroju klasycznego. (Thomsona) rozpraszanie, gdzie \u003d 2,8 * 10 -13 cm - tzw. klasyczny promień elektronu. W tym przypadku \u003d 6,65 · 10 -25 cm 2. Jak widać z rys. 2, przy energiach w zakresie 0,5-5 MeV K. e. daje główne udział fotonów w utracie energii w ołowiu (w powietrzu odpowiedni zakres to 0,1–20 MeV).

Ryż. 2. Zależność całkowitego przekroju ołowiu od energii fotonu w jednostkach energii spoczynkowej elektronu m e c 2 dla efektu Comptona ( 1) , efekt fotoelektryczny ( 2) , pary urodzenia e + e - (3); wzdłuż osi y wykreślono wielkość liniowej absorpcji fotonów = N(N to stężenie atomów substancji).

Jeśli elektron, na którym rozproszony jest foton, nie jest w spoczynku, ale jest ultrarelatywistyczny z energią , to elektron traci przy zderzeniu, a foton zyskuje energię, a długość fali światła maleje przy zderzeniu (wzrasta częstotliwość). Takie zjawisko nazywa się odwrotność do m p t o efekcie n. Jeśli kierunek prędkości błaga. fotony są rozłożone izotropowo, to por. energia rozproszonych fotonów przy rewersie K. e. jest określony przez stosunek

Odwróć K. e. jest Ch. mechanizm utraty energii przez elektrony poruszające się w polu magnetycznym. pole kosmiczne. źródła radiowe. Jest również przyczyną izotropowych promieni rentgenowskich. przestrzeń promieniowanie o energii 50-100 keV, które jest fotonem odrzutu w rozpraszaniu elektronów relatywistycznych na izotropowej przestrzeni mikrofalowej. promieniowanie tła.

W procesie rozpraszania elektron może zaabsorbować jeden foton, aw stanie końcowym wyemitować nie jeden (jak w przypadku konwencjonalnego promieniowania kosmicznego), ale dwa fotony. Zjawisko to nazywa się podwójny efekt Comptona. Teoretycznie badali to W. Heitler i L. Nordheim w 1934 r. Możliwy jest również proces ponownego wielokrotności K. e. w stanie końcowym P fotony. Jego przekrój jest, ogólnie rzecz biorąc, tłumiony przez współczynnik . Ale w przypadku, gdy emitowane fotony są miękkie i nie są rejestrowane bezpośrednio, taki proces jest nie do odróżnienia od zwykłego K.e. i ma duży przekrój. W związku z tym uwzględniając poprawki z ust N-fold K. e. ważne dla interpretacji danych na zwykłym K. e.

Jeśli K. e. dzieje się w eks. pole intensywnego e-mag. fal [gdzie w każdym skończonym przedziale częstotliwości zawiera wiele fotonów], to możliwy jest proces, w którym zachodzi on jako absorpcja z zewnątrz. pole i emisja elektronów duża liczba fotony. Taki proces jest złożoną funkcją napięcia zewnętrznego. elektryczny pola mi i zadzwoniłem. nieliniowy efekt Comptona. Występuje z zauważalnym prawdopodobieństwem w , gdzie E0 ma skalę pól na orbicie elektronowej atomu wodoru. Takie napięcia elektryczne pola są nadal nieosiągalne w warunkach ziemskich, ale istnieją na powierzchni supergęstych gwiazd.

Rozpraszanie Comptona występuje również na innych ładunkach. cząstek, w szczególności na protonie, jednak ze względu na dużą masę protonu efekt ten jest zauważalny dopiero przy bardzo wysokich energiach kwantów -.

Rozpraszanie Comptona jest wykorzystywane w badaniach promieniowania jąder atomowych, a także do pomiaru polaryzowalności cząstki elementarne i jąder i leży u podstaw zasady działania niektórych spektrometry promieniowania gamma.

Oświetlony.: Shpolsky E. V., Atomic Physics, wyd. 7, tom 1-2, M., 1984; Spektroskopia alfa, beta i gamma, tłum. z angielskiego, ok. 1-4, M., 1969; L e ng K., Wzory astrofizyczne, przeł. z angielskiego, t. 1-2, M., 1978; Elektrodynamika kwantowa zjawisk w polu intensywnym, M., 1979. MV Terentiew.

K. e. na związanym elektronie. W przypadku rozpraszania fotonu przez związany (atomowy lub cząsteczkowy) elektron, w przeciwieństwie do rozpraszania przez elektron swobodny, występują trzy ślady. kanał: rozpraszanie Rayleigha, dla którego stan celu nie zmienia się; Ramanowskie rozpraszanie światła, w wyniku czego cel przechodzi w inny stan związany; Rozpraszanie Comptona połączone z jonizacją.

Efekt wiązania elektronu w atomie na początku. prowadzi w procesie jonizacji Comptona do poszerzenia linii Comptona, czyli do pojawienia się rozkładu częstotliwości emitowanych fotonów przy ustalonym kącie rozpraszania. Oddziaływanie elektronu z resztą jonową w stanie końcowym prowadzi do przesunięcia maksimum linii Comptona w kierunku wyższych częstotliwości, więcej im wyższa energia wiązania. Na dowolnym początku energii fotonów szerokość linii Comptona jest proporcjonalna. . W nierelatywistycznym obszarze energii proporcja. częstotliwość padającego fotonu, a przesunięcie jego maksimum rzędu [ jest stałą struktury subtelnej, Z eff - eff. ładunek jądrowy (w jednostkach ładunku elementarnego mi) dla rozważanej powłoki elektronowej].

Ryż. 3. Diagram „mewy” Feynmana; podwójna linia ciągła opisuje elektron w polu atomu, linia falista opisuje foton.

W dziedzinie energii W procesie jonizacji Comptona elektronowi przekazywana jest energia znacznie większa niż energia wiązania w atomie. Pozwala to interpretować rozpraszanie fotonów jako proces zachodzący na swobodnym elektronie, który ma dokładnie taki sam rozkład pędu jak w stanie związanym. Takie rozważania w ramach aproksymacji impulsowej mają charakter teoretyczny. podstawy nierelatywistycznej metody badania budowy elektronowej atomów, cząsteczek i kryształów - metoda Comptona, profile.

W zakresie energii amplitudę efektu Comptona na słabo związanym ()elektronie opisuje diagram Feynmana typu „mewa” (rys. 3), w którym operator interakcji jest wyrażony za pomocą wektorów falowych k i polaryzacja mi, fotony padające i rozproszone oraz operator pędu :

(I = 1, 2, 3) -Macierz Diraca,_ W obszarze energii na przekrój poprzeczny K. e. decydujący wpływ ma oddziaływanie elektronu z resztą jonową w stanie końcowym, ponieważ ze względu na przybliżone spełnienie zasady zachowania pędu (wąskość linii Comptona i małe jej przesunięcie) emitowana elektron ma średnio stosunkowo niską energię. Przy takich energiach fotonów proces jonizacji Comptona jest interpretowany jako „wstrząs” typu rozpraszania (patrz ryc. metoda nagłych zaburzeń). Zgodnie z koncepcją „wstrząsu” Ch. charakterystyczny dla kąta rozkład rozproszonych fotonów w K. e. na związanym elektronie jest odpowiednio dobrany parametr „potrząsania”:

Gdzie B= 1+ . Wartość parametru N określone są relacje eff. Sekcje pokazany dla DO-elektrony na ryc. 4.

Ryż. Ryc. 4. Rozkłady kątowe rozproszonych fotonów podczas jonizacji Comptona powłok K pierwiastków lekkich (linie kreskowo-kropkowane; Odnośnie= e 2/pani 2 jest klasycznym promieniem elektronu); linie ciągłe - obliczenie według wzoru Kleina-Nishiny.

Relacje te jako funkcje parametru N są uniwersalne nie tylko dla DO-elektronów, ale także dla każdej konkretnej powłoki atomowej.

W związku z postępem technologii laserowej w wielu badaniach pojawiają się pytania o wpływ silnych e-magnesów. pola w różnych elementarne procesy atomowe. Istnieje cała klasa efektów wymuszonej absorpcji lub emisji fotonów ext. pole laserowe występujące na tle systemu DOS. proces, którym może być fotojonizacja, jonizacja Comptona, spowolnienie elektronu na atomie itp. . W obszarze parametrów, gdzie przekroje poprzeczne tych procesów wymuszonych są duże, można je interpretować jako procesy „wstrząsowe”. W przypadkach, gdy parametr N nie zawiera stałej Plancka (np. w procesach emisji i rozpraszania fotonów przez klasyczny elektron), efekty wymuszone są klasyczne. wyjaśnienie dowolnej liczby emitowanych (wchłoniętych) fotonów laserowych. Tak więc proces komptonowskiego rozpraszania twardego fotonu energią na elektronie umieszczonym w intensywnym polu lasera o niskiej częstotliwości (o częstotliwości ) ma charakter klasyczny. punkt widzenia jest opisany jako promieniowanie o wysokiej częstotliwości elektronu w polu dwóch e-mag. fale.

Lit.: 1) Sommerfeld A., Struktura atomu i widma, przeł. z j. niem., t. 2, M., 1956; 2) V. A. Bushuev i R. N. Kuzmin, Inelastic Scattering of X-ray and Synchrotron Radiation in Crystals, Coherent Effects in Inelastic Scattering, UFN, 1977, t. 122, s. 81; 3) Dykhne A.M., Yudin G.L., "Wstrząsy" układu kwantowego i natura stymulowanych nim przejść, "UFN", 1978, t. 125, s. 377; 4) A. M. Dykhne i G. L. Yudin, Efekty wymuszone podczas „potrząsania” elektronu w zewnętrznym polu elektromagnetycznym, UFN, 1977, t. 121, s. 157. GL Judin.