Концепция квантованности излучения, открытая Максом Планком в 1900 году и примененная для
объяснения фотоэффекта, открытого Генрихом Герцем в 1887, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины
волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не
укладывается в рамки классической волновой теории, согласно которой длина волны излучения не
должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под
действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на
частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты. Схема Комптона
представлена на рис. 8.2.1. Монохроматическое рентгеновское излучение с
длиной волны λ0, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые
диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P
(графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с
помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки
играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в
рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла
рассеяния θ:
Δλ = λ - λ0 = 2Λ sin2 θ / 2,
где Λ = 2,43·10-3 нм – так называемая комптоновская длина
волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном
излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная
линия с длиной волны λ0. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной
линий зависит от рода рассеивающего вещества.
Рисунок 1. Схема эксперимента
Комптона.
На рис. 2 представлены кривые распределения интенсивности в спектре
излучения, рассеянного под некоторыми углами.
Рисунок 2. Спектры рассеянного
излучения.
Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и
П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе
излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то
эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со
свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны
слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе
столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в
соответствии с законами сохранения. Рассмотрим упругое столкновение двух частиц
– налетающего фотона, обладающего энергией E0 = hν0 и импульсом
p0 = hν0 / c, с покоящимся электроном, энергия покоя
которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения
(рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным
p = hν / c, а его энергия
E = hν < E0. Уменьшение энергии фотона означает
увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с
формулой становится равной где pe –
приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде
или
Закон сохранения импульса
можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов
(см. диаграмму импульсов, рис. 3):
Рисунок 3. Диаграмма импульсов при упругом
рассеянии фотона на покоящемся электроне.
Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после
несложных преобразований и исключения величины pe можно получить
mc2(ν0 – ν) = hν0ν(1 – cos θ).
Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое
совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:
Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых
представлений, дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить
комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h, c и m:
Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией
с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны
λ0. Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно
связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с
атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому
передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ
рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ0 падающего
излучения.
Знаете ли Вы, что, когда некоторые исследователи, пытающиеся примирить релятивизм и эфирную физику, говорят, например, о том, что космос состоит на 70% из "физического вакуума", а на 30% - из вещества и поля, то они впадают в фундаментальное логическое противоречие. Это противоречие заключается в следующем.
Вещество и поле не есть что-то отдельное от эфира, также как и человеческое тело не есть что-то отдельное от атомов и молекул его составляющих. Оно и есть эти атомы и молекулы, собранные в определенном порядке. Также и вещество не есть что-то отдельное от элементарных частиц, а оно состоит из них как базовой материи. Также и элементарные частицы состоят из частиц эфира как базовой материи нижнего уровня. Таким образом, всё, что есть во вселенной - это есть эфир. Эфира 100%. Из него состоят элементарные частицы, а из них всё остальное. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.