Найбільш повно корпускулярні властивості світла виявляються в ефекті Комптона. Американський фізик А. Комптон (1892-1962), досліджуючи в 1923 р розсіювання монохроматичного рентгенівського випромінювання речовинами з легкими атомами (парафін, бор), виявив, що в складі розсіяного випромінювання поряд з випромінюванням початкової довжини хвилі спостерігається також випромінювання більш довгих хвиль. Досліди показали, що різниця Dl = l'- l не залежить від довжини хвилі l падаючого випромінювання і природи розсіює речовини, а визначається тільки величиною кута розсіювання q:
де l '- довжина хвилі розсіяного випромінювання, LС -комптоновская довжина хвилі (при розсіянні фотона на електроні LС = 2,426 пм).
Ефектом Комптона називається пружне розсіяння короткохвильового електромагнітного випромінювання (рентгенівського і g-випромінювань) на вільних (або слабосвязанних) електронах речовини, що супроводжується збільшенням довжини хвилі. Цей ефект не вкладається в рамки хвильової теорії, згідно з якою довжина хвилі при розсіюванні змінюватися не повинна: під дією періодичного поля світлової хвилі електрон коливається з частотою поля і тому випромінює розсіяні хвилі тієї ж частоти.
Пояснення ефекту Комптона дано на основі квантових уявлень про природу світла. Якщо вважати, як це робить квантова теорія, що випромінювання має корпускулярну природу, т. Е. Є потоком фотонів, то ефект Комптона - результат пружного зіткнення рентгенівських фотонів з вільними електронами речовини (для легких атомів електрони слабо пов'язані з ядрами атомів, тому їх можна вважати вільними). В процесі цього зіткнення фотон передає електрону частину своїх енергії і імпульсу відповідно до законів їх збереження.
Розглянемо пружне зіткнення двох частинок (ріс.44) - налітає фотона, що володіє імпульсом РG = h # 957; / С і енергією # 949; g = h # 957 ;. з спочиваючим вільним електроном (енергія спокою W0 = m0с 2; m0 - маса спокою електрона). Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії і імпульсу і змінює напрямок руху (розсіюється). Зменшення енергії фотона означає збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання. Нехай імпульс і енергія розсіяного фотона рівні р'g = = h # 957; ' / С і # 949; 'g = h # 957;'. Електрон, раніше покоївся, набуває імпульс ре = т # 965; , Енергію W = тс 2 і починає рухатися - відчуває віддачу. При кожному такому зіткненні виконуються закони збереження енергії і імпульсу.
Відповідно до закону збереження енергії,
а відповідно до закону збереження імпульсу,
Підставивши в вираженні (206.2) значення величин і представивши (206.3) відповідно до рис. 38, отримаємо
Маса електрона віддачі пов'язана з його швидкістю # 965; співвідношенням (див. 39.1). Звівши рівняння (206.4) в квадрат, а потім віднімаючи з нього (206.5) та враховуючи (39.1) отримаємо
Вираз (206.6) є не що інше як отримана експериментально Комптоном формула (206.1). Підстановка в неї значень h. m0 і з дає Комптонівське довжину хвилі електрона LС = h / (m0с) = 2,426 пм.
Наявність в складі розсіяного випромінювання «несмещенной» лінії (випромінювання первинної довжини хвилі) можна пояснити наступним чином. При розгляді механізму розсіювання передбачалося, що фотон соударяющихся лише з вільним електроном. Однак якщо електрон сильно пов'язаний з атомом, як це має місце для внутрішніх електронів (особливо у важких атомах), то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом в цілому. Так як маса атома в порівнянні з масою електрона дуже велика, то атому передається лише незначна частина енергії фотона. Тому в даному випадку довжина хвилі l 'розсіяного випромінювання практично не буде відрізнятися від довжини хвилі l падаючого випромінювання.
З наведених міркувань випливає також, що ефект Комптона не може спостерігатися у видимій області спектра, оскільки енергія фотона видимого світла порівнянна з енергією зв'язку електрона з атомом, при цьому навіть зовнішній електрон не можна вважати вільним.
Ефект Комптона спостерігається не тільки на електронах, але і на інших заряджених частинках, наприклад протонах, однак через велику маси протона його віддача «проглядається» лише при розсіянні фотонів дуже високих енергій.
Як ефект Комптона, так і фотоефект на основі квантових уявлень обумовлені взаємодією фотонів з електронами. У першому випадку фотон розсіюється, у другому - поглинається. Розсіювання відбувається при взаємодії фотона з вільним електроном, а фотоефект - зі зв'язаними електронами. Можна показати, що при зіткненні фотона з вільним електроном не може відбутися поглинання фотона, так як це знаходиться в протиріччі з законами збереження імпульсу і енергії. Тому при взаємодії фотонів з вільними електронами може спостерігатися тільки їх розсіювання, т. Е. Ефект Комптона.
Основні рівняння зв'язують корпускулярні властивості електромагнітного випромінювання (енергія і імпульс фотона) з хвильовими властивостями (частота і довжина хвилі):
ТЕМА 3.5. АТОМНА ЯДРО І ядерні СИЛИ