Комптон-эффект

Квантовая механика
Введение
Математические основы
См. также: Портал:Физика
Излучение с длиной волны направлено слева направо. После взаимодействия с электроном оно меняет длину волны на а направление на угол относительно первоначального направления. Стрелкой указано направление движения электрона, с которым провзаимодействовал фотон.

Эффект Ко́мптона (комптон-эффект, комптоновское рассеяние) — некогерентное рассеяние фотонов на свободных электронах, некогерентность означает, что фотоны до и после рассеяния не интерферируют. Эффект сопровождается изменением частоты фотонов, часть энергии которых после рассеяния передается электронам.

Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году в экспериментах с рентгеновским излучением[1][2]; за это открытые Комптон стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1927 год.


Теория эффекта

При рассеянии фотона на свободном электроне частоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

,

где  — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

где  — комптоновская длина волны электрона, равная м.

Уменьшение энергии фотона в результате комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. Объяснение эффекта в рамках классической электродинамики невозможно, так как рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не меняет её частоты.

Эффект Комптона является одним из доказательств справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц и подтверждает существование фотонов.

Закон сохранения энергии в эффекте в случае рассеяния на покоящемся электроне, можно записать следующим образом[3]:

.

Сечение эффекта Комптона описывается формулой Клейна — Нишины.

Обратный эффект Комптона

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону.

Энергия рассеянных фотонов определяется выражением[4]:

,

где и  — энергия рассеянного и падающего фотонов соответственно,  — кинетическая энергия электрона.

Обратный эффект Комптона ответственен за рентгеновское излучение галактических источников, рентгеновскую составляющую реликтового фонового излучения (эффект Сюняева — Зельдовича), трансформацию плазменных волн в высокочастотные электромагнитные волны[5].

Примечания

  1. Артур Комптон Рассеяние рентгеновских лучей как частиц // Эйнштейновский сборник 1986—1990. — М., Наука, 1990. — Тираж 2600 экз. — с. 398—404
  2. Филонович С. Р. Артур Комптон и его открытие // Эйнштейновский сборник 1986—1990. — М., Наука, 1990. — Тираж 2600 экз. — с. 405—422
  3. Борн, М. Атомная физика. — М.: "Мир", 1965. — С. 389.
  4. Комптона эффект — статья из Физической энциклопедии
  5. Комптона эффект — статья из Большой советской энциклопедии

Ссылки