Комптон-ефект, пружне розсіяння електромагнітного випромінювання на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі; спостерігається при розсіянні випромінювання малих довжин хвиль - рентгенівського і гамма-випромінювання (Див. Гамма-випромінювання). В До. вперше у всій повноті проявилися корпускулярні властивості випромінювання.
К. е. відкритий в 1922 американським фізиком А. Комптон му, який виявив, що розсіяні в парафіні рентгенівські промені мають велику довжину хвилі, ніж падаючі. Класична теорія не могла пояснити такого зрушення довжини хвилі. Дійсно, згідно з класичною електродинаміки (Див. Електродинаміка), під дією періодичного електричного поля електромагнітної (світловий) хвилі електрон повинен коливатися з частотою, рівній частоті поля, і, отже, випромінювати вторинні (розсіяні) хвилі тієї ж частоти. Таким чином, при "класичному" розсіянні (теорія якого була дана англійським фізиком Дж. Дж. Томсон му і яке тому називають "томсоновскім") довжина світлової хвилі не змінюється.
Первісна теорія К. е. на основі квантових уявлень була дана А. Комптоном і незалежно П. Дебаєм (Див. Дебай). За квантової теорії світлова хвиля являє собою потік світлових квантів - фотонів. Кожен фотон має певну енергію Eγ = hυ = hcl λ і імпульс pγ = (h / λ) n, де λ - довжина хвилі падаючого світла (υ - його частота), с - швидкість світла, h - постійна Планка, а n - одиничний вектор в напрямку поширення хвилі (індекс у означає фотон). К. е. в квантової теорії виглядає як пружне зіткнення двох частинок - налітає фотона і покоїться електрона. У кожному такому акті зіткнення дотримуються закони збереження енергії і імпульсу. Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії і імпульсу і змінює напрямок руху (розсіюється); зменшення енергії фотона і означає збільшення довжини хвилі розсіяного світла. Електрон, раніше покоївся, отримує від фотона енергію і імпульс і приходить в рух - випробовує віддачу. Напрямок руху частинок після зіткнення, а також їх енергії визначаються законами збереження енергії та імпульсу (рис. 1).
Спільне рішення рівнянь, що виражають рівності сумарної енергії і сумарного імпульсу часток до і після зіткнення (в припущенні, що електрон до зіткнення покоївся), дає для зрушення довжини світлової хвилі Δλ формулу Комптона:
Тут λ '- довжина хвилі розсіяного світла, θ - кут розсіювання фотона, а λ0 = h / mc = 2,426 ∙ 10 -10 см = 0,024 Е - так звана комптонівська довжина хвилі електрона (т - маса електрона). З формули Комптона слід, що зрушення довжини хвилі Δλ не залежить від самої довжини хвилі падаючого світла λ. Він визначається лише кутом розсіяння фотона θ і максимальний при θ = 180 °, т. Е. При розсіянні назад: Δλ макс. = 2 λ0.
З тих же рівнянь можна отримати вирази для енергії Ee електрона віддачі ( "комптонівського" електрона) в залежності від кута його вильоту φ. На графічно представлена залежність енергії розсіяного фотона від кута розсіювання θ, а також пов'язана з нею залежність Ee від φ. З малюнка видно, що електрони віддачі завжди мають складову швидкості у напрямку руху падаючого фотона (т. Е. Φ не перевищує 90 °).
Досвід підтвердив всі теоретичні передбачення. Таким чином, була експериментально доведена правильність корпускулярних уявлень про механізм До. і тим самим правильність вихідних положень квантової теорії.
У реальних дослідах з розсіювання фотонів речовиною електрони не вільні, а пов'язані в атомах. Якщо фотони володіють великою енергією в порівнянні з енергією зв'язку електронів в атомі (фотони рентгенівського і γ-випромінювання), то електрони відчувають настільки сильну віддачу, що виявляються вибитими з атома. В цьому випадку розсіювання фотонів відбувається як на вільних електронах. Якщо ж енергія фотона недостатня для того, щоб вирвати електрон з атома, то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом в цілому. Так як маса атома дуже велика (в порівнянні з еквівалентною масою фотона, рівною, згідно відносності теорії (Див. Відносності теорія), Eγ / с 2), то віддача практично відсутня; тому розсіювання фотона станеться без зміни його енергії, тобто без зміни довжини хвилі (як кажуть когерентно). У важких атомах слабо пов'язані лише периферичні електрони (на відміну від електронів, що заповнюють внутрішні оболонки атома) і тому в спектрі розсіяного випромінювання присутня як зміщена, комптонівська лінія від розсіяння на периферичних електронах, так і не зміщена, когерентна лінія від розсіяння на атомі в цілому . Зі збільшенням атомного номера елемента (тобто заряду ядра) енергія зв'язку електронів збільшується, і відносна інтенсивність комптонівської лінії падає, а когерентної лінії - зростає.
Рух електронів в атомах приводить до розширення комптонівської лінії розсіяного випромінювання. Це пояснюється тим, що для рухомих електронів довжина хвилі падаючого світла здається дещо зміненій, причому величина зміни залежить від величини і напряму швидкості руху електрона (див. Доплера ефект). Ретельні вимірювання розподілу інтенсивності усередині комптонівської лінії, що відображає розподіл електронів розсіює речовини за швидкостями, підтвердили правильність квантової теорії, згідно з якою електрони підкоряються Фермі - Дірака статистикою (Див. Фермі - Дірака статистика).
Розглянута спрощена теорія До. не дозволяє обчислити всі характеристики комптонівського розсіювання, зокрема інтенсивність розсіяння фотонів під різними кутами. Повну теорію До. дає Квантова електродинаміка. Інтенсивність комптонівського розсіювання залежить як від кута розсіювання, так і від довжини хвилі падаючого випромінювання. У кутовому розподілі розсіяних фотонів спостерігається асиметрія: більше фотонів розсіюється у напрямку вперед, причому ця асиметрія збільшується з енергією падаючих фотонів. Повна інтенсивність комптонівського розсіяння зменшується із зростанням енергії первинних фотонів; це означає, що ймовірність комптонівського розсіювання фотона, що пролітає через речовину, убуває з його енергією. Така залежність інтенсивності від Eγ визначає місце До. серед інших ефектів взаємодії випромінювання з речовиною, відповідальних за втрати енергії фотонами при їх прольоті через речовину. Наприклад, в свинці (у статті Гамма-випромінювання) До. дає головний вклад в енергетичні втрати фотонів при енергіях порядку 1-10 МеВ (в легшому елементі - алюмінії - цей діапазон становить 0,1-30 МеВ); нижче цієї області з ним успішно конкурує Фотоефект, а вище - народження пар (див. Анігіляція і народження пар).
Комптонівське розсіювання широко використовується в дослідженнях γ-випромінювання ядер, а також лежить в основі принципу дії деяких Гамма-спектрометр ов.
К. е. можливий не тільки на електронах, але і на інших заряджених частинках, наприклад на протонах, але через велику маси протона віддача його помітна лише при розсіянні фотонів дуже високої енергії.
Подвійний К. е. - утворення двох розсіяних фотонів замість одного первинного при його розсіянні на вільному електроні. Існування такого процесу випливає з квантової електродинаміки; вперше він спостерігався в 1952. Його вірогідність приблизно в 100 разів менше вірогідності звичайного До.
Зворотний Комптон-ефект. Якщо електрони, на яких розсіюється електромагнітне випромінювання, є релятивістськими (тобто рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла), то при пружному розсіянні довжина хвилі випромінювання буде зменшуватися, тобто енергія (і імпульс) фотонів буде збільшуватися за рахунок енергії (і імпульсу ) електронів. Це явище називають зворотним До. Зворотний До. часто залучають для пояснення механізму випромінювання космічних рентгенівських джерел, утворення рентгенівської компоненти фонового галактичного випромінювання, трансформації плазмових хвиль в електромагнітні хвилі високої частоти.
Літ .: Борн М. Атомна фізика, пров. з англ. 3 вид. М. 1970; Гайтлер В. Квантова теорія випромінювання. М. +1956.
Мал. 1. Пружне зіткнення фотона і електрона в К о мптона еф е кте. До зіткнення електрон покоївся; pν і pν '- налітає і розсіяного фотонів, - імпульс віддачі (ν
- його швидкість), розсіювання фотона, θ - кут вильоту електрона віддачі відносно напряму падаючого фотона.
Мал. 2. Залежність енергії розсіяного фотона E 'γ від кута розсіювання θ (для зручності змальована лише верхня половина симетричною кривою) і енергії електрона віддачі Ee від кута вильоту φ (нижня половина кривої). Величини, що відносяться до одного акту розсіяння, позначені однаковими цифрами. Вектори, проведені з точки О, в якій сталося зіткнення фотона енергії Eγ з покоїться, до відповідних точок цих кривих, змальовують стан часток після розсіювання: величини векторів дають енергію частинок, а кути, які утворюють вектори з напрямком падаючого фотона, визначають кут розсіювання фотона θ і кут вильоту електрона віддачі φ. (Графік викреслений для випадку розсіювання "жорстких" рентгенівських променів з довжиною хвилі hc / Eγ = λ0 = 0,024Å.
Мал. 3. Графік залежності повної інтенсивності комптонівського розсіювання σ від енергії фотона Eγ (в одиницях повної інтенсивності классич. Розсіювання); стрілкою вказана енергія, при якій починається народження електрон-позитронного пар.