Эффект Комптона
Наличие у света корпускулярных свойств также подтверждается комптоновским рассеянием фотонов. Эффект назван в честь открывшего в 1923 г. это явление американского физика Артура Холли Комптона. Он изучал рассеяние рентгеновских лучей на различных веществах.
Эффект Комптона– изменение частоты (или длины волны) фотонов при их рассеянии. Может наблюдаться при рассеянии на свободных электронах фотонов рентгеновского диапазона или на ядрах при рассеянии гамма-излучения.
Рис. 2.5. Схема установки для исследования эффекта Комптона.
Тр– рентгеновская трубка
Эксперимент Комптона заключался в следующем: он использовал так называемую линию Кαв характеристическом рентгеновском спектре молибдена с длиной волныλ0 = 0.071нм. Такое излучение можно получить при бомбардировке электронами молибденового анода (рис. 2.5), отрезав излучения других длин волн с помощью системы диафрагм и фильтров (S). Прохождение монохроматического рентгеновского излучения через графитовую мишень (М) приводит к рассеянию фотонов на некоторые углыφ, то есть к изменению направления распространения фотонов. Измеряя с помощью детектора (Д) энергию рассеянных под различными углами фотонов, можно определить их длину волны.
Оказалось, что в спектре рассеянного излучения наряду с излучением, совпадающим с падающим, присутствует излучение с меньшей энергией фотонов. При этом различие между длинами волн падающего и рассеянного излучений ∆λ = λ – λ0тем больше, чем больше угол, определяющий новое направление движения фотона. То есть на большие углы рассеивались фотоны с бóльшей длиной волны.
Этот эффект не может быть обоснован классической теорией: длина волны света при рассеянии изменяться не должна, т.к. под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому должен излучать под любым углом вторичные волны той же частоты.
Объяснение эффекту Комптона дала квантовая теория света, в рамках которой процесс рассеяния света рассматривается как упругое столкновение фотонов с электронами вещества. В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения в точности как при упругом столкновении двух тел.
Рис. 2.6. Комптоновское рассеяние фотона
Поскольку после взаимодействия релятивистской частицы фотона с электроном последний может получить ультравысокую скорость, закон сохранения энергии необходимо писать в релятивистской форме:
(2.8)
Где hν0иhν– энергии соответственно падающего и рассеянного фотонов,mc 2 – релятивистская энергия покоя электрона – энергия электрона до столкновения,Ee– энергия электрона после столкновения с фотоном. Закон сохранения импульса имеет вид:
(2.9)
где p0 и p – импульсы фотона до и после столкновения,pe– импульс электрона после столкновения с фотоном (до столкновения импульс электрона равен нулю).
Возведем в квадрат выражение (2.30) и помножим на с 2 :
(2.10)
Воспользуемся формулами (2.5) и выразим импульсы фотонов через их частоты: (2.11)
Учитывая, что энергия релятивистского электрона определяется формулой:
(2.12)
и используя закон сохранения энергии (2.8), получим:
(2.13)
Возведем в квадрат выражение (2.13):
(2.14)
Сравним формулы (2.11) и (2.14) и проведем простейшие преобразования:
(2.15)
(2.16)
Частота и длина волны связаны соотношением ν=с/λ, поэтому формулу (2.16) можно переписать в виде:(2.17)
Разность длин волн λ – λ0является очень малой величиной, поэтому комптоновское изменение длины волны излучения заметно лишь при малых абсолютных значениях длины волны, то есть эффект наблюдается только для рентгеновского или гамма-излучения.
Длина волны рассеянного фотона, как показывает эксперимент, не зависит от химического состава вещества, она определяется только углом θ, на который рассеивается фотон. Это легко объяснить, если учесть, что рассеяние фотонов происходит не на ядрах, а на электронах, которые в любом веществе идентичны.
Величина h/mcв формуле (2.17) называется комптоновской длиной волны и для электрона равнаλc = 2.43·10 –12 м.
Эффект комптона кратко и понятно
ЭффектКомптона – рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля — фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.
Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией λ (h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны, λ – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину
где θ – угол рассеяния фотона, а me – масса электрона h/mec = 0.024 Å называется комптоновской длиной волны электрона.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом θ рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением
Эффективное сечение рассеяния γ-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.
Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии γ-кванта: σk ~ 1/Eγ.
Обратный комптон-эффект
Если электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским Ee >> Eγ, то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков γ-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник γ-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток γ-квантов с энергиями 400 МэВ).
Энергия рассеянного фотона Eγ зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии Eγ0 и угла столкновения θ фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между φ направлениями движения первичного и рассеянного фотона
При «лобовом» столкновении
E0 − полная энергия электрона до взаимодействия, mc 2 − энергия покоя электрона.
Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов γ определяется соотношением
При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией
Eγ = 50–100 кэВ.
Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.
П o дробнее об обратном комптон-эффекте см. Источники гамма-излучения
Эффект комптона кратко и понятно
Комптона Эффект.
См. комментарий в конце.
Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г . для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона ( 1922 г .). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.
Схема Комптона представлена на рис. 1. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны λ0, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла рассеяния θ:
Δλ = λ — λ0 = 2Λ sin2 θ / 2,
где Λ = 2,43·10–3 нм – так называемая комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная линия с длиной волны λ0. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.
Рис. 1.Схема эксперимента Комптона
На рис. 2 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.
Рис. 2. Спектры рассеянного излучения
Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.
Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией E0 = hν0 и импульсом p0 = hν0 / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hν / c, а его энергия E = hν < E0. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой становится равной
где pe – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде
Закон сохранения импульса
можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 3):
Рис. 3. Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне
Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины pe можно получить
mc2(ν0 – ν) = hν0ν(1 – cos θ).
Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:
Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений, дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h, c и m:
Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ0. Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ0 падающего излучения.
Комментарий:
Можно до чертиков изобретать море математики. Но утверждать, что рассеяние излучения осуществляется только за счет электронов это уж слишком.
Размеры электронов 10 — 15 м (оценочно), а ядер 10 — 8 м .
Можно подумать, что перед потоком фотонов стоит щит из свободных электронов, почти напрочь закрывающий ядра атомов.
«эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения.»
И только в ячейки свободного пространства между этими электронами никак не взаимодействуя с остальной «мелочью» проходит прямое излучение. А рассеивается только на этих свободных от предрассудков и честных до невозможности проститутках.
Квантово-механический бред.
Мало того, путем волюнтаристского утверждения, получена сомнительная константа, определяющая длину волны рассеянного излучения, не зависящая от рассеивающего вещества.
Δλ = λ — λ0 = 2Λ sin2 θ / 2,
Что-то это очень напоминает, стоит сравнить:
2d ⋅ sin θ = nλ, формулу Вульфа- Брегга для разности хода.
А не расстояние ли это между атомами вещества — комтоновская длина волны?
Не была, однако проверена степень поглощения и отражения различными материалами этого рассеянного излучения.
От рентгеновской лампы не получить монохроматического излучения, поэтому на пути излучения поставлено два кристалла (монохроматор) исполняющих роль дифракционной решетки.
Рис. 4. Монохроматор
Если такое творить с обычным светом, то это надо просто поставить зеркала из тонкой металлической пленки. Из практики известно о преломлении немонохроматического света на тонких пленках, только исследование эффекта тщательно не проводилось. Был поставлен опыт и выяснилось.
Получен зеленый луч от золота и фиолетовый от серебра.
При определенных углах положения пленки можно получить разложение луча в спектр как отраженного, так и рассеянного света. Но углы поворота надо подбирать либо визуально, либо иметь математически точный расчет, так как для каждого материала сдвиг отраженного и преломленного сплошного спектра на одинаковых углах различен. Это явно заметно. Потому можно заключить, что навряд ли Комптон имел хотя бы приблизительно монохроматический рентгеновский луч, у которого нереально визуально подобрать углы отражения, и теории на это счет нет. Такое возможно только при использовании рентгеновского лазера. К тому же показанное параллельное положение зеркал выполняет роль обычной составной призмы, не меняющей сплошного спектра на выходе. Видимо Комптон никак и не подозревал, что существует оптический « Хроматизм положения ».
Что интересно точно такой же эффект наблюдается и у любого другого излучения – разложение в спектр немонохроматического пучка на призме именно с уменьшением и интенсивности и энергии рассеянного пучка(длины волны) по мере увеличения угла рассеяния..
С Комптоном вообще масса проблем.
Обратимся к формуле, где рассчитана длина волны комптоновского рассеянного излучения:
Где m — масса покоя электрона испустившего фотон
Посчитаем кА массу электрона для проверки .
m = h / l c = 6,626176 10 -34 Дж с / 2,99792458 10 8 м/с * 2,426 -3 нм = 9,1 10 -29 Дж/метр
здесь мы получили массу в джоулях/метр и хоть цифры совпадают, ошибка на Два порядка.
m =9.109534 10 — 31 кг из справочника
Но цена вопроса уже не в порядках, а в джоулях и метрах. На самом деле то мы получили линейную плотность энергии (или массы), из которой просто килограммы никак не получаются, если не свободно манипулировать размерностью.
Но даже чисто по логике, попробуйте килограммовый кирпич положить на метр, штук пять влезет, ну так и бегайте с такой линейкой.
Это эффекты квантового подхода, и таких примеров море. Например, в современных справочниках есть даже формулы перехода от единицы измерения массы в килограммах к измерению массы в единицах длины — метрах.
И все с рук сходит.
Именно такой подход Комптон применил и при расчетах длин волн повторив опыты Франка-Герца.
Он обнаружил, что при V > 4,9 в пары атомы Hg начинают испускать ВИДИМЫЙ свет.
Потребовалось срочно увязать волновую теорию с планковской
частотой n = D E/h, где D E = 4,9 эв (h – Планка постоянная). Т. о., возбужденные электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эв и возвращаются в основное состояние.
вот как Комптон в 1923 году определил частоту излучения при U >4,9 в
n = D E / h ? где D E =4,9 электронвольт. – энергия электрона.
Работа равна энергии. Yes . Согласны.
То есть просто вольты это уже электронвольты.
Тем самым волюнтаристски он примирил понятие элементарного электрического заряда и его энергии.
Е=А= q ( f 1- f 2) и тогда частота n = q ( f 1- f 2)/ h = E / h
h -постоянная Планка.
Тут специально подставили и работу как эквивалент энергии, чтобы пояснить ералаш, если не бардак в теории.
Совершенно непонятно как масса связана с зарядом. Чисто из любопытства Е= mc 2
В результате подставим,
h = 6,626176 10 -34 Дж сек
1 эв =1,6021892 10 -19 дж
n =4,9 эв/ 6,626176 10 -34 Дж с = 1,1839819004524886877828054298643 10 -15 сек -1
Попали в область ультрафиолетового излучения.
Это Комптон отправил явное видимое излучение(голубоватое свечение) в область невидимого ультрафиолета. Что не сотворишь ради квантовой теории.
Вот они откуда ноги растут, и частота света взялась. Раз не померить, надо просто по изобретенной формулке рассчитать и голословно заявить вот он свет то, и частота евоная.
Засранец — Комптон. Одно слово.
q = h n/ D E = как ни странно, но строго по науке. Считаем заряд электрона.
= q = 6,626176 10 -34 Дж с * 1,1839819004524886877828054298643 10 -15 сек -1
=1,6010734650771428571428571428571 10 -19 Дж/Эв
Получили только чисто численно заряд электрона совершенно случайно ли. Метаморфоза? если не учитывать единицы измерения — джоуль/электронвольт и нам еще раз надо поделить результат на 1,6010734650771428571428571428571 10 -19 Дж.
Так как электронвольт не безразмерен и измеряется в джоулях.
Тут же обнаружим и хвост динозавра:
q =1 эв -1 = 1 / 1,6010734650771428571428571428571 10 -19 Дж
это и есть заряд электрона. А где кулон, куда пропала классическая единица измерения? Заряд и в джоулях… да еще в таком виде.
Как там с квантовостью и элементарностью. Все это называется «И ТАК СОЙДЕТ»
Элементарно, Ватсон! Дедуктивный метод и его приложение к физике…, пока Лейстрейд с его Скотланд-ярдом кушал овсянку, ваш покорный слуга сбегал за учебником арифметики. Оказалось, что собаке Баскервилей давно уже пора бы сдохнуть к чертовой матери. Ха Ха Ха Ха… та-та-та, тада-тада—-тааам.
Дальше совсем просто просчитать массу покоя фотона излучаемого электроном при такой вот арифметике. Тем более частоту его уже знаем. С учетом того, что фотон все-таки имеет массу. Обойдемся без релятивистского импульса. Чисто по ньютону, стрельнул фотоном неизвестно куда, двигайся электрон в сторону обратную…, а если не стрельнул, а во все возможные стороны плюнул, изволь ка братец сжаться.
Так что же мы кроме общеизвестного двойного лучепреломления имеем, да ровным счетом ничего!
Обратный Комптона эффект.
Если эл-ны, на к-рых упруго рассеивается эл.-магн. излучение, релятивистские, то энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счёт энергии (и импульса) эл-нов, т. е. длина волны при рассеянии будет уменьшаться. Это явление наз. обратным К. э. Его часто привлекают для объяснения механизма рентг. излучения косм. источников, образования рентг. компоненты фонового галактич. излучения, трансформации плазм. волн в эл.-магн. волны высокой частоты.
Для обратного Комптон эффекта не имеется подтверждающих опытов. Но объяснять то как-то надо результаты астрофизических наблюдений. Появилось словесное (на словах) описание процесса, в котором появляется субсветовая скорость электрона – он превращается в релятивистский. Вот только речь идет о свободных и слабосвязанных электронах. Откуда релятивизм? Кто ускорил?
Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3. 1968.
Фатьянов А.В. Спб. 2008. Fatyalink @ mail . ru
Что такое эффект Комптона и как он влияет на электромагнитное излучение?
Эффект Комптона — фундаментальное явление в области физики, оказывающее большое влияние на электромагнитное излучение. Этот эффект, открытый Артуром Комптоном в 1923 году, раскрывает двойственную природу света, демонстрируя, что он ведет себя как частица (фотон) и как волна. В этой статье мы рассмотрим, что такое эффект Комптона и как он влияет на электромагнитное излучение. Мы узнаем, как это явление произвело революцию в нашем понимании света и заложило основу для многих технологических достижений в области электроники и телекоммуникаций. Присоединяйтесь к нам в этом увлекательном путешествии в мир физики и электромагнитного излучения!