Квантовая теория излучения. Эффект Комптона
Корпускулярная теория света несовместима с волновой теорией, которая была
общепризнанной в начале XX века. В 1912 г. М. Лауэ обнаружил диффракционную
картину при рассеянии рентгеновских лучей на кристалах - было показано, что
рентгеновские лучи - электромагнитные волны с длиной волны l ~ 0,2
нм.
Все сомнения физиков в корпускулярных свойствах фотонов отпали после опытов
по рассеянию ренгеновского излучения на свободных электронах,
выполненных в 1922 г.
А. Комптоном. Он показал, что взаимодействие электронов с рентгеновскими
лучами носит характер столкновения двух частиц - электрона и фотона
(g- кванта) с энергией
Eg = h n, и импульсом
[(p)\vec]g = (h n/c) [(n)\vec]. (См. Рис. 4)
В этой формуле учтено, что фотоны - частицы с массой покоя равной нулю.
Применив закон сохранения энергии и импульса к процессу столкновения
g+ e- ® gў + e-ў,
Комптон нашел зависимость длины волны рассеянных рентгеновских лучей от
угла рассеяния (угла q
- между направлением движения налетающего на неподвижный электрон
g-
кванта [(n)\vec] и направлением движения рассеянного фотона [(n)\vec]ў)
дается формулой, великолепно согласующейся с экспериментом:
lў = l+ Lc (1 - cosq),
(6)
где
Lc =
hmec
- комптоновская длина волны электрона, me - масса покоя электрона,
c - скорость света в вакууме.
Численно комптоновская длина волны равна
Lc = 2,4·10-12м.
Рис. 4
Из формулы (6) ясно, почему в объяснении эффекта Комптона
не учитывается
рассеяние g- квантов на ядрах, ионах и других массивных частицах,
входящих в состав любого вещества. Это связано с тем, что у массивных частиц
их комтоновская длина волны меньше Lc во столько раз, во сколько
их масса больше массы электрона. Поэтому рассеяние на таких частицах дает
пренебрежимо малый вклад по сравнению с рассеянием на электронах.
Более точно, рассеяние на массивных частицах происходит практически
без изменения длины волны фотона.
