Compton hatás
Compton-hatás, elektromágneses sugárzás elasztikus szórása szabad elektronokon, a hullámhossz növekedésével együtt; A kis hullámhosszú röntgensugárzás és a gamma-sugárzás sugárzásának szórását figyelik meg. Gamma sugárzás). A K. e. A sugárzás korpuszkuláris tulajdonságai először teljes egészében megjelentek.
K. e. felfedezte 1922-ben az amerikai fizikus A. Compton ohm akik felfedezték, hogy a szórt röntgensugarak a viasz nagyobb hullámhosszú, mint az esetet. A klasszikus elmélet nem tudta megmagyarázni egy ilyen hullámhossz-változást. Szerint ugyanis a klasszikus elektrodinamika (Lásd. Elektrodinamika), az intézkedés alapján periodikus elektromos mező egy elektromágneses (fény) hullámok elektron kell oszcillál gyakorisággal egyenlő a mező, és ezért bocsátanak ki a másodlagos (szétszórt) hullámok azonos frekvencián. Így a „klasszikus” szórási (az elmélet által adott az angol fizikus John. John. Thomson-én és ezért nevezik „Thomson”) fény hullámhossza nem változik.
A K. e. kvantum-ábrázolások alapján A. Compton és függetlenül P. Debye (lásd Debye). A kvantumelméletben a fény hullám a fény kvantum-fotonok áramlata. Mindegyik foton egy bizonyos energia Eγ = hυ = HCI λ és pulzus pyl = (H / λ) n, ahol λ - hullámhossza a beeső fény (υ - annak gyakorisága), c - fénysebesség, h - Planck-állandó, és n - egység vektor a hullámterjedés irányában (az y index egy fotont jelent). K. e. a kvantumelméletben két részecske rugalmas ütközésének tűnik - egy incidens foton és egy nyugvó elektron. Minden egyes ilyen ütközés esetén az energiatakarékossági törvények és a lendület figyelhető meg. Foton összeütközött az elektron áthalad a részét energia és az impulzus megváltoztatja a mozgás irányát (szórt); a fotonenergia csökkenése és a szétszórt fény hullámhosszának növekedését jelenti. Egy előzetesen pihentetett elektron energiát és lendületet kap a fotonból, és mozogni kezd - visszahúzódik. A részecskék mozgásának irányát az ütközés után, valamint az energiájukat az energia megőrzésének és a lendület védelmének törvényei határozzák meg (1. ábra).
A teljes energia egyenleteit és az ütközés előtti és utáni részecskék teljes lendületét kifejező egyenleteket (feltételezve, hogy az elektron az ütközés előtt nyugalmi állapotban volt) adja meg a Compton-képletet a hullámhosszú hullámhossz átállításához: Δλ:
Ahol λ „- hossza a szórt fény hullámhossza, θ - a szög a foton szórás és λ0 = h / mc = 2,426 ∙ 10 -10 cm = 0,024 E - úgynevezett Compton-hullámhossza (m - elektron tömeg). A Compton-képletből következik, hogy a hullámhossz-eltolódás Δλ nem függ a beeső fény λ hullámhosszától. Ez esetben csak foton szórási szög θ és a maximuma θ = 180 °, azaz a visszaszórási: ... Δλ max = 2 λ0.
Ugyanazokból az egyenletekből kaphatunk kifejezéseket a recoil-elektron ("Compton" elektron) energia Ee-jára a kibocsátása φ szögének függvényében. A szétszórt foton energiájának függését az θ szétszórási szöggel grafikusan ábrázoljuk, valamint az Ee függését a vele összefüggő φ-ra. Az ábrán látható, hogy a visszacsapó elektronok mindig tartalmaznak egy sebességkomponenst az incidens foton mozgásának irányában (vagyis φ nem haladja meg a 90 ° -ot).
A kísérlet megerősítette az összes elméleti előrejelzést. Így a kvantummechanizmus mechanizmusának korpuszkuláris fogalmainak helytállóságát kísérletesen igazolták. és ezáltal a kvantumelmélet kezdeti feltevéseinek helyességét.
A fotonok anyag általi szétszóródására vonatkozó valódi kísérletekben az elektronok nem szabadok, de atomok kötődnek. Ha a fotonok egy nagy energiájú, mint a kötési energiája az elektronok az atom (X-ray fotonok és γ-sugárzás), úgy, hogy az elektronok tapasztalni erős hatást, hogy mozdít el az atom. Ebben az esetben a fotonok szétszóródása mind a szabad elektronokon történik. Ha azonban a foton energiája nem elegendő ahhoz, hogy egy elektront ki tudjon törni egy atomból, akkor a foton energiát és lendületet cserél az atom egészével. Mivel az atom tömege nagyon nagy (a foton ekvivalens tömegével egyenlő, az elmélet relativitásának megfelelően, Eγ / c 2) gyakorlatilag nincs visszahúzás; ezért a foton az energiájának megváltoztatása nélkül szétszóródik, azaz anélkül, hogy megváltoztatná a hullámhosszat (ahogy mondják koherens módon). A nehéz atomok gyengén kötött csak perifériás elektronokat (szemben az elektronok töltés a belső héj a atom), és ezért a spektrum a szórt sugárzás van jelen, mint egy eltolás, a Compton vonal szétszálljon a perifériás elektronok és nem ellensúlyozza, koherens vonal szórási atom általában . Az elem atomszámának növekedésével (vagyis a mag feltöltésével) növekszik az elektronok kötési energiája, és csökken a Compton vonal relatív intenzitása, és nő a koherens vonal.
Az elektronok mozgása az atomokban a Compton-szétszóródott sugár kiterjesztéséhez vezet. Ez azért van, mert a mozgó elektronok a beeső fény hullámhossza tűnik, kissé módosított, a változás mértéke függ a nagysága és iránya elektron sebessége (lásd. A Doppler-effektus). Gondos intenzitás mérését a eloszlása a Compton vonalon, tükrözve a elektronok eloszlását fényszóró anyagból sebessége, megerősítette a helyességét kvantumelmélet, hogy az elektronok engedelmeskedik Fermi - Dirac statisztikát (Lásd Fermi -. Dirac statisztikát).
A kvantummechanika egyszerűsített elmélete. nem teszi lehetővé számunkra, hogy kiszámoljuk a Compton-szórás összes jellemzőjét, különösen a különböző szögekből származó fotonok szétszóródásának intenzitását. K. et. kvantumelektrodinamikát ad. A Compton szóródás intenzitása mind a szórás szögétől, mind az incidens sugárzás hullámhosszától függ. A szétszórt fotonok szög szerinti eloszlásában aszimmetria figyelhető meg: több foton szétszóródik előre, és ez az aszimmetria nő az incidens fotonok energiájával. A Compton szórás teljes intenzitása az elsődleges fotonok növekvő energiájával csökken; ez azt jelenti, hogy az anyagon átmenő fotonnak a Compton-szóródása valószínûleg csökken energiával. Az Eγ intenzitásának ilyen függése határozza meg a kvantumtér helyzetét. a sugárzás és az anyag kölcsönhatásának egyéb hatásai között, amelyek a fotonok energiaveszteségéért felelősek anyagi áthaladásuk során. Például az ólomban (a Gamma-sugárzás című cikkben) K. e. a legfontosabb szerepet játszik a fotonok energiaveszteségeihez 1-10 Mev-os sorrendben (az öngyújtó elem - alumínium - ez a tartomány 0,1-30 MeV); ezen a területen, a Photoeffect sikeresen versenyez vele, és felette - a párok születése (lásd az Annihilation és a párok születése).
A Compton-szórást széles körben használják a magok gamma-sugárzásának tanulmányozására, valamint az egyes gamma-spektrométerek működésének alapját.
K. e. nemcsak az elektronokon, hanem más töltött részecskéken, például a protonokon is lehetséges, de a proton nagy tömegének köszönhetően visszahúzódása csak akkor merül fel, ha nagyon nagy energiájú fotonok vannak szétszórva.
Dupla K.E. - két szétszórt foton képződése egy elsődleges helyett egy szabad elektron általi szétszóródása során. Az ilyen folyamat létezése a kvantumelektrodinamikából következik; Először 1952-ben megfigyelték. A valószínűsége körülbelül 100-szor kevesebb, mint a szokásos K. K. valószínűsége.
Reverse Compton hatás. Ha az elektron amely szórt elektromágneses sugárzás relativisztikus (azaz sebességgel haladó, közel a fény sebessége), esetében rugalmas szórás hullámhossz csökken, azaz az energia (és az impulzus) fotonok növeli annak az energiának (és a lendület ) az elektronok. Ezt a jelenséget fordítottnak nevezik. Fordított K.E. gyakran használják megmagyarázni a mechanizmus a tér sugárzás ray forrásból, X-ray képződését komponense háttérsugárzás galaktikus, átalakítása plazma hullámok az elektromágneses hullám a nagyfrekvenciás.
HIVATKOZÁSOK Született M. Atomfizika, transz. angolul. 3. kiadás M. 1970; Geitler V. A sugárzás kvantumelmélete. M. 1956.
Ábra. 1. A foton és az elektron elasztikus ütközése Coulomb-effektusban. Az ütközés előtt az elektron nyugalomban volt; pν és pν '- incidens és szétszórt fotonok, - recoil momentum (ν
- a sebesség), a foton szóródás, és θ a visszahúzó elektron kibocsátása szög az incidens foton irányában.
Ábra. 2. A függőség a szórt foton energia E „γ a szórási szög θ (csak kényelmi mutatja a felső fele a szimmetrikus görbe), és a visszarúgás elektron energia Ee az emissziós szög φ (az alsó felét a görbe). Az egy szórási aktusra vonatkozó értékeket azonos számokkal jelölik. Vektorok végzett egy O pont, amelyben a ütközés történt Eγ fotonenergia egy elektron nyugalomban, hogy a megfelelő pontokat ezen görbék az állam a részecskék diszpergálása után: vektor értékeket adnak energiájú részecskék, és a bezárt szögek a vektorok által az irányt a beeső foton meghatározott szórási szög a foton θ és a visszahúzó elektron emissziója φ. (Ábra készül az esetében szórási „kemény” x-sugarak hullámhosszúságú hc / Eγ = λ0 = 0,024Å.
Ábra. 3. A teljes Compton szórásintenzitás σ függésének függvénye az Eγ fotonenergián (a klasszikus szórás teljes intenzitásának egységeiben); a nyíl jelzi azt az energiát, amelyen az elektron-pozitron párok előállítása megkezdődik.