Эффект Комптона

Как мы знаем, Альберт Эйнштейн в $1905$ году предложил для объяснения фотоэффекта так называемую концепцию фотонов. Позже, в $1922$ г., американский физик А.Комптон провел серию опытов и подтвердил ее экспериментально. Он провел исследования упругого рассеяния коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества (или электронах, слабо связанных с атомами) и открыл, что длина волны рассеянного изучения не соответствует ранее принятой волновой теории. Согласно ей, электроны, испытывающие воздействие периодического поля световой волны, совершают вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучают рассеянные волны той же частоты, следовательно, длина волны излучения при рассеянии не должна меняться.

На иллюстрации представлена схема прохождения монохроматического рентгеновского излучения с длиной волны ${\lambda }_0$, которое исходит из трубки $R$, через свинцовую диафрагму. После прохождения его направляют узким пучком на слой рассеивающего вещества (алюминия, графита). Затем получившееся излучение, рассеянное под углом $\theta$, анализируют при помощи спектрографа рентгеновских лучей $S$ с дифракционной решеткой в виде кристалла $K$, помещенного на поворотный столик. Результаты опыта показывают, что в рассеянном излучении длина волны $\Delta \lambda$ увеличивается в зависимости от угла рассеяния.

$∆\lambda =\lambda -{\lambda }_0=2\Lambda {\sin }^2\frac{\theta }{2}$.

Здесь параметр $\Lambda =2,43·{10}^{–3} нм$ выражает так называемую комптоновскую длину волны, которая не имеет связи с свойствами рассеивающего вещества.

Соотношение интенсивности обеих линий связано с тем, какое вещество использовано в качестве рассеивающего.

Рисунок $5.3.1.$ Эксперимент Комптона (схематическое изображение).

Следующие иллюстрации показывают, как распределяется интенсивность в спектре рассеянного излучения в зависимости от угла рассеивания.

Рисунок $5.3.2.$ Распределение интенсивности в рассеянном излучении.

Объяснение эффекта с помощью квантовых представлений

Эффект Комптона был объяснен в $1923$ году самим Комптоном и П. Дебаем, которые работали независимо друг от друга. В обоих случаях в основе объяснения лежат квантовые представления.

Почему длина части волн не изменяется?

Согласно данным опыта, в излучении после рассеяния кроме смещенной линии есть и несмещенная, длина волны излучения которой совпадает с первоначальной. Ее наличие можно объяснить тем, что часть фотонов взаимодействует с электронами, крепко связанными с ядрами атомов. Тогда происходит обмен энергии и импульса с атомом в целом, а не только с электроном. Поскольку атом весит значительно больше, то переданная энергия фотона очень мала, следовательно, длина волны $\lambda$ рассеянного излучения остается практически неизменной. 

Рисунок $5.3.4.$ Модель комптоновского рассеяния.