Эффект Комптона.

Существование фотонов доказывается также явлением, обнаруженным в 1922 г. американским физиком А. Комптоном при исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей.

Комптон установил, что при прохождении пучка рентгеновских лучей через слой вещества возникает рассеянное рентгеновское излучение с частотой меньшей частоты первичного пучка.

Согласно волновой теории, механизм рассеяния рентгеновского излучения объясняется возникновением вторичных электромагнитных волн в результате вынужденных колебаний электронов в атомах вещества под действием переменного электрического поля первичного пучка; при этом частота рассеянного рентгеновского излучения должна совпадать с частотой первичного излучения. Наблюдаемое же различие частот первичного и рассеянного излучения на основе волновой теории объяснить не представляется возможным.

Если же считать пучок рентгеновских лучей состоящим из отдельных частиц — фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с другими частицами, то следует допустить возможность обмена с ними энергией и

Рис. 95

импульсом. Тогда результаты опытов Комптона легко объяснить. Рентгеновский фотон с частотой обладает энергией:

массой:

и импульсом:

При столкновении фотона с электроном, находящимся в покое, происходит передача части энергии и импульса фотона этому электрону. Уменьшение энергии фотона в результате столкновения приводит, согласно выражению (20.3), к уменьшению его частоты (рис. 95).

Изменение частоты фотона при рассеянии его на электроне под некоторым углом к направлению его первоначального движения может быть найдено путем совместного решения двух уравнений, представляющих собой запись законов сохранения энергии и импульса для системы «фотон — электрон»:

В этих уравнениях есть полная энергия неподвижного электрона; — полная энергия электрона после столкновения с фотоном; — энергия первичного фотона; — энергия фотона после столкновения с электроном (рассеянного фотона); импульсы фотона до и после столкновения; — импульс электрона после столкновения с фотоном.

Вычисления, выполненные на основе представлений о фотонах как о частицах, способных испытывать столкновения с

электронами и другими частицами по законам релятивистской механики, дают результаты, прекрасно согласующиеся с данными эксперимента.

Справедливость этих представлений о механизме эффекта Комптона подтверждается еще и тем, что, как показывает опыт, каждому фотону, испытавшему рассеяние на угол сопутствует появление электрона, движущегося именно с такой скоростью и под таким углом к направлению первичного пучка фотонов, какие получаются при решении уравнений (20.6) и (20.7).

Решение этих уравнений дает следующее выражение для изменения длины волны при рассеянии фотонов на электронах:

Величину называют комптоновской длиной волны рассеивающей частицы. Для электрона получаем:

Из выражения (20.8) следует, что максимальное увеличение длины волны фотона при комптоновском рассеянии равно удвоенному значению комптоновской длины волны (при

К сказанному о фотонах как частицах следует, однако, добавить, что они обладают рядом свойств, существенно отличных от свойств частиц вещества. Фотоны не обладают массой покоя, и ни при каких условиях не изменяется скорость их движения.