Эффект Комптона: краеугольный камень квантовой механики

Эффект Комптона является одним из краеугольных камней квантовой механики. В 1922 году физик Артур Холли Комптон объяснил увеличение длины волны х-лучей и других энергетических электромагнитных излучений, рассматривая их как совокупность дискретных импульсов или квантов электромагнитной энергии.

Эффект Комптона

Химик Гилберт Льюис (США) ввел термин «фотон» для световых квантов. Фотоны имеют свою энергию и импульсы. Они также располагают волновыми характеристиками, такими как длина волны и частота. Энергия фотонов находится в прямой пропорциональной зависимости от частоты и в обратной от ее протяженности. Эффект Комптона подразумевает сталкивание фотонов с одиночными электронами. Во время этого процесса их энергии соединяются, и под определенным углом происходит волновой разброс, размер которого зависит от исходного количества данных. Из-за соотношения между энергией и длиной волны, рассеянные фотоны обладают большей длиной, что также зависит от величины угла, через который рентгеновские лучи были направлены.

Комптоновское рассеяние

Неупругое рассеивание фотона на свободной заряженной частице заканчивается ослаблением энергии, при этом длина волны фотона увеличивается в размере. Часть этой энергии распыляется на находящиеся поблизости электроны. Существует также обратный процесс. Комптоновское рассеяние является неупругим, поскольку протяженность волны света, который был рассеян, отлична от падающего излучения. Что же предложил Комптон? Эффект в данном случае может рассматриваться как упругое сталкивание. Передвижение электронов в атомах ведет к увеличению ширины комптоновской полосы рассеянного света. Это можно объяснить тем, что для находящихся в движении электронов протяженность волны падающего излучения выглядит немного трансформированной, при этом величина перемен находится в прямой зависимости от размера и направления скорости перемещения электрона.

В честь кого эффект получил свое название

Эффект Комптона получил свое название в честь имени профессора Вашингтонского университета Артура Холли Комптона (1892—1962), физика из США, который получил Нобелевскую премию в 1927 году за свое открытие. Выпускник университета Вустера и Принстонского университета, он разработал теорию интенсивности отражения рентгеновских лучей от кристаллов в качестве средства изучения расположения электронов и атомов. В 1918 году он начал свои исследования. В 1919 году Комптон одним из первых был награжден национальной исследовательской стипендией Совета. Он был принят на стажировку в Кавендишскую лабораторию в Кембридже (Англия) и затем в Вашингтонский университет. Работая с х-лучами, он усовершенствовал свой аппарат для измерения сдвига длины волны от угла рассеивания.

Фотонно-электронное взаимодействие

Одним из важнейших понятий при изучении комптоновского рассеивания является фотон, который, согласно теории света, является квантом электромагнитной энергии и они всегда находятся в движении, и даже в вакууме есть постоянная скорость распространения света. Эффект Комптона имеет важное значение, поскольку он демонстрирует, что свет не стоит рассматривать чисто как волновой феномен. В 1923 году Комптон подарил миру науки статью, в которой он вывел математическое соотношение между сдвигом в длине волны и углом рассеивания х-лучей, предполагая, что каждый свободный рентгеновский фотон начнет взаимодействие с одной заряженной частицей. Это приводит к тому, что электрону отдается часть энергии, а фотон, содержащий оставшуюся часть энергии, испускает ее в сторону, отличную от начальной, при этом общий импульс системы сохраняется. Этот эффект является одной из трех основных форм взаимодействия фотонов и главной причиной рассеянного излучения в материале. Это происходит из-за взаимодействия рентгеновского или гамма-фотона с крайними (и, как следствие, слабо связанными между собой) валентными электронами на атомном уровне.

Фотон с точки зрения квантовой теории

В 1800-х годах волновые световые характеристики и электромагнитное излучение в целом стали абсолютно очевидными. Однако раньше ученые не придавали этим явлениям большого значения. Так было до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не объяснил фотоэлектрический эффект и всем дал понять, что световая энергия должна была быть рассмотрена как часть квантованной теории. Как уже упоминалось выше, свет имеет волны и частицы. Это было поразительным открытием и, безусловно, за пределами обычного восприятия вещей.

Поскольку энергия и величина импульса пропорциональны его частоте, после взаимодействия фотон имеет меньшую частоту, а длина волны при этом увеличивается. Этот показатель зависит только от угла, который образуется между падающим и рассеянным лучами. Наибольший угол рассеивания позволит получить большее увеличение. Эффект используется при исследовании электронов в веществе и в производстве переменной энергии гамма-лучей. Формула Комптона для сдвига Δλ длины волны света: Δλ = λ’ − λ = λ0(1 cos θ), где λ’ – это длина волны рассеянного света, θ - это угол рассеяния фотона, и λ0 = 2.426 × 1010 см = 0.024 Ангстрем (Å). Из формулы видно, что смещение в длине волны не зависит от протяженности волны падающего излучения. Он определяется исключительно углом рассеяния фотона и является наибольшим при угле 180°.

Основные свойства фотонов

1. Движение в свободном пространстве с постоянной скоростью.
2. Фотоны не имеют массы.
3. Они несут энергию и импульс, которые также связаны с частотой и длиной волны.
4. Они могут быть уничтожены при поглощении излучения.
5. Фотоны нейтральны с электронной точки зрения и являются одними из самых редких частиц.

Значение эффекта в различных областях науки

Комптоновское рассеяние, которое часто называют некогерентным рассеянием, имеет важное значение в атомной энергетике (радиационная защита), экспериментальной и теоретической ядерной физике, физике плазмы и атома, рентгеновской кристаллографии, физике элементарных частиц и астрофизике. Эффект Комптона дает важный инструмент для исследования в некоторых отраслях медицины, в молекулярной химии и физике твердого тела, а также использовании высокоэнергетических ускорителей для электронов. Это открытие имеет первостепенное значение для радиобиологии, потому что оно является наиболее подходящим для взаимодействия высокой энергии рентгеновских лучей с ядрами атомов в живых организмах и применяется в лучевой терапии. В физических материалах этот эффект может быть использован для зондирования волновой функции электронов в веществе.

Также Комптон открыл явление полного отражения рентгеновских лучей и их полной поляризации, которые привели к более точному определению числа электронов в атоме. Он был также первым, кто получил рентгеновские спектры прямым методом измерения длины волны рентгеновских лучей. Путем сравнения этих спектров с данными, полученными при использовании кристалла, могут быть определены абсолютные значения расстояния между атомами в кристаллической решетке. Комптон занимал пост президента американского физического общества в 1934 году. Он был канцлером Вашингтонского университета с 1946 по 1953 год. Великий физик умер в 1962 году в возрасте 69 лет.

Невероятное открытие

Основанный на квантовых представлениях о природе света эффект Комптона иллюстрирует одно из наиболее фундаментальных взаимодействий между излучением и веществом и в очень наглядной форме показывает истинную квантовую природу электромагнитного излучения. Пожалуй, наибольшее значение данного эффекта заключается в том, что он демонстрирует прямо и четко, что в дополнение к волновой природе с ее поперечными колебаниями, электромагнитное излучение также содержит частицы природы - фотоны, которые ведут себя вполне как материальные вещества при столкновениях с электронами. Это открытие привело к разработке квантовой механики и послужило основой для начала теории квантовой электродинамики, теории взаимодействия электронов с электромагнитным полем.