Описание опыта Комптона

Если фотоны действительно можно уподобить частицам, то они, кроме энергии, должны иметь и импульс. Более того, импульс фотонов, если он у них существует, должен быть связан с энергией той же формулой, которая имеет место в механике. Из релятивистской механики известна следующая формула 2 p Ev c. Здесь под v следует понимать скорость частицы, а E — ее энергия. Если применить эту формулу к фотону, то нужно считать, что v = c. Тогда формула, связывающая энеpгию и импульс фотона, должна иметь вид 2 p Ec c. Поскольку энергия фотона равна h, импульс фотона должен выражаться следующей формулой p h c. Возникал вопрос: так ли это? И вообще, можно ли фотону приписать импульс? Очевидно, этот вопрос нельзя было решить теоретически. Он был разрешен Комптоном экспериментально. Импульс частиц в механике лучше всего обнаруживается в процессах их столкновения. Комптон и исследовал процесс столкновения фотонов с электронами. Если фотон имеет импульс, то при столкновении с электроном суммарный импульс должен сохраняться, что в опыте так или иначе должно проявляться. Комптон поставил опыт по рассеянию рентгеновских лучей на графите. Известно, что видимый свет рассеивается на очень мелких, но все же макроскопических предметах (на пыли, на мелких каплях жидкости или шероховатостях отражающей поверхности). Рентгеновские же лучи, как свет очень короткой длины волны, должны рассеиваться на атомах и отдельных электронах. Суть опыта Комптона заключалась в следующем. Узкий направленный пучок монохроматических рентгеновских лучей направляется на небольшой образец из графита (рис. 1). Можно также использовать и другое вещество (Образец) с не слишком большим средним атомным номером. В рентгеновской трубке (РТ) электроны, ускоряемые электрическим полем, приложенным между катодом (К) и анодом (А), порождают тормозное и характеристическое излучение, генерируемое внутри материала анода. Выделяемый диафрагмами Д1 Д2 узкий пучок первичного рентгеновского излучения (обладающий малой угловой расходимостью) направлялся на рассеивающее вещество.

Рисунок 1 — Схема опыта Комптона.

В этом опыте излучение проходило сквозь исследуемое вещество. Рассеянные лучи регистрировались под pазличными углами pассеяния, и с помощью pентгеновскогоспектpогpафаизмеpялась длина волны. Спектральный состав рассеянного излучения исследовался с помощью рентгеновского спектрографа, содержащего кристалл-монохроматор (Кр) и фотопластинку, служившую детектором (Счетчик) монохроматического излучения. В каждом положении кpисталла угол падения на кристалл — угол дифpакции, удовлетвоpяющий условию Вульфа-Бpэгга, определял длину волны отраженного излучения. Рентгеновские лучи, как известно, обладают хорошей проникающей способностью: они проходят через вещество, и одновременно часть их рассеивается во всех направлениях на атомах исследуемого вещества. При этом рассеяние может осуществляться не только при прохождении сквозь вещество, но и при отражении лучей в обратную сторону. Естественно полагать, что рассеяние будет осуществляться: — на электронах из глубоких атомных оболочек (они хорошо связаны с атомами и в процессе рассеяния не отрываются от ядра). Согласно классическим представлениям при таком возбуждении электроны колеблются с частотой возбуждающих их электромагнитных волн — падающего рентгеновского излучения; - на внешних, валентных электронах, которые, наоборот, слабо связаны с ядрами атомов. Их, по отношению к взаимодействию с такими жесткими лучами, как рентгеновские, можно pассматpивать как свободные (т.е. пpенебpечь их связью с атомами). Интерес представляло рассеяние именно второго pода. Была обнаpужена зависимость pазности длин волн падающего и pассеянного света от угла pассеяния. На рис. 2 приведены экспериментальные данные рассеяния монохроматических рентгеновских лучей (линия К молибдена) на графите.

Рисунок 2 — Рентгеновские спектры упругого и неупругого рассеяния Mo К На верхнем рисунке представлен спектр первичного излучения. Изображенные ниже кривые относятся к углу рассеяния =135. По оси ординат отложена интенсивность излучения в относительных единицах, по оси абсцисс — длина волны в порядке возрастания значений слева направо.