21) 5.3. Эффект Комптона *)

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, в 1922 г. получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона. 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. 5.2.1. 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: 

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.

Объяснение эффекта Комптона на основе квантовых представлений о природе излучения было дано в 1923 году независимо друг от друга А. Комптоном и П. Дебаем. 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 (см. § 4.5), становится равной   где p_e – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде 

или 

Закон сохранения импульса 

можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 5.3.3): 

Рисунок 5.3.3. Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины p_e 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.

22)  Опыты Лебедева по исследованию светового давления.

Считается, что первым лабораторным подтверждением наличия светового давления являются опыты Лебедева [7].

В этих опытах свет от электрической дуги направлялся на мишени из фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников разных конструкций. Часто встречается неверное изложение процедуры: Лебедев, якобы, направлял световой поток попеременно то на одну поверхность мишени, то на другую – с периодичностью, соответствующей периоду собственных колебаний крутильного маятника – и, таким образом, раскачивал его. Судя по описанию [7], попеременность направления света на ту или иную сторону мишени использовалась не для раскачки маятника, а для смещения его нулевого положения. За время освещения с одной стороны, маятнику давали совершить однополное колебание, замечая при этом три положения максимальных отклонений – по которым вычисляли нулевое положение. Затем свет направляли с другой стороны, и точно так же находили новое нулевое положение. Половина разности между этими двумя нулевыми положениями, как полагали, соответствовала силовому эффекту от светового давления.

Одним из главных факторов, маскировавших искомый эффект, являлись радиометрические силы [7]. Эти силы обусловлены тем, что, в прилегающем к мишени объёме, температура газа с освещённой стороны выше, чем с неосвещённой – что порождает соответствующую разницу давлений на мишень. Радиометрические силы в значительной степени ослаблялись вакуумированием баллона, в котором помещался крутильный маятник; но полностью эти силы, конечно, не устранялись. Вызывает недоумение тот факт, что величину ожидаемого эффекта из-за действия этих сил – для реальных условий опыта – автор не привёл. Тогда не могло ли оказаться, что этими силами был обусловлен весь наблюдаемый эффект?

В пользу этого подозрения мы усматриваем одно важное свидетельство. Согласно теории Максвелла, давление света зависит от коэффициента отражения  поверхности, на которую падает свет: p=(E/c)(1+), где E – световая энергия, падающая ортогонально на единицу поверхности в единицу времени, =0 для абсолютно поглощающей поверхности, и=1 – для абсолютно отражающей. Для проверки этого вывода Лебедев использовал два типа мишеней: сильно поглощающих, покрытых платиновой чернью – и сильно отражающих, имевших зеркальное напыление. По сравнению с первыми, для вторых эффект от светового давления ожидался почти в два раза большим – но этого не обнаружилось. Имело место лишь незначительное превышение наблюдаемого эффекта для зеркальных мишеней по сравнению с чернёными. На основе рядов данных в [7], которые имеет смысл сравнивать, т.е. полученных для одного и того же маятника и одного и того же калориметра, измерявшего падавшую энергию, мы получили следующие средние величины эффекта (в условных единицах):

маятник N2 – (чернь) 1.550.07,  (зеркала) 1.890.31;

маятник N3 – (чернь) 1.300.18,  (зеркала) 1.700.24.

Как можно видеть, для маятника N2 отношение средних величин эффектов для чернённых и зеркальных мишеней составило всего-то 1.2, а для маятника N3 – 1.3. Эти цифры говорят о том, что Лебедев имел дело не с «максвелловским давлением», а, по-видимому, с остаточными радиометрическими силами.

Ещё более странное впечатление производит работа Лебедева [8], в которой он исследовал «давление света» на газы.

 Где же повторения опытов Лебедева?

Спустя десятилетия, опыты Лебедева могли быть повторены в условиях, гораздо более благоприятных для устранения радиометрических сил. В баллоне Лебедева давление остаточных газов было несколько ниже, чем 10^-4 мм.рт.ст. [7]. Для сравнения: при поточном производстве радиоламп, их колбы откачивали до давления 10^-7 мм.рт.ст. [9], а в экспериментальных технических установках достигается давление ещё на несколько порядков ниже. Кроме того, могли быть использованы лазерные источники света, которые не только давали бы гораздо более мощный, чем у Лебедева, поток световой энергии, но и, при подходящем выборе рабочей длины волны, практически исключали бы действие света на остаточные газы. Однако, про сообщения о подобных опытах нам неизвестно. Не связано ли это с тем, что, при избавлении от радиометрических сил, пропадает и наблюдаемый эффект?

Впрочем, нам известна одна статья [10], посвящённая демонстрациям давления лазерного света. В первом из описанных там экспериментов, лазерный луч слабо фокусировался в кювете с жидкостью, в которой были взвешены мелкодисперсные полупрозрачные диэлектрические шарики. В створе светового луча наблюдались два типа движений шариков: вдоль луча – сонаправленно с потоком световой энергии – и поперёк луча. Едва ли можно сомневаться в том, что движение шариков вдоль луча не вызывалось световым давлением, а представляло собой фотофорез, обусловленный более высокой температурой жидкости с освещённой стороны шарика – автор [10] и не оспаривает этот тезис. Поперечные же движения шариков считались следствием светового давления, согласно следующей модели. Рассматривался случай, когда шарик находится в створе светового гауссова пучка, на некотором удалении от его центральной оси. Испытывая преломление на поверхностях шарика, лучи света изменяют свои направления, отчего шарику, якобы, передаются импульсы отдачи. Ввиду радиального уменьшения интенсивности в гауссовом пучке, на половину освещённой полусферы шарика, находящейся ближе к центральной оси пучка, падает больший световой поток, чем на другую половину – отчего суммарная отдача в радиальном направлении не равна нулю. Странным образом, в этой модели не учитываетсяотражение падающих на шарик лучей – а ведь тогда, при тех же исходных предпосылках, суммарная отдача имела бы прямо противоположное направление. Вновь, ни о каком подтверждении наличия светового давления говорить не приходится.

Второй эксперимент, описанный в [10], это «оптическая левитация»: удержание на весу в воздухе крупинки вещества, подсвечиваемой лазерным лучом снизу. Опять же: где доказательства, что крупинка удерживается световым давлением, а не радиометрическими силами? Второй из этих вариантов, на наш взгляд, гораздо правдоподобнее. Плохи дела с экспериментальным подтверждением наличия светового давления, если журнал УФН перепечатывает подобные бездоказательные статьи.

Добавим, что УФН напечатал ещё статью [11] – «Резонансное световое давление». Это многообещающее название обманчиво, т.к. статья [11] имеет чисто теоретический характер.

 23) Поглощение света может вызвать и некоторые химические процессы, состоящие обычно в распаде молекулы, поглотившей свет, на части, за которым нередко следует ряд дальнейших химических превращений. Наибольшее значение имеет химический процесс, который разыгрывается под действием света в зеленых частях растений.

Как известно, дыхание всех живых существ сопровождается окислением углерода, входящего в состав их тел. Сгорание углерода (превращение его в углекислоту  ) сопровождается освобождением энергии, которая и используется животными при их движении. Точно так же главный источник энергии, используемый в технике, есть процесс сжигания топлива, т. е. опять-таки процесс образования  .

Обратный процесс расщепления   происходит в зеленых частях растений под действием солнечного света, как фотохимический процесс. Расщепление углекислоты сопровождается дальнейшими химическими превращениями, приводящими в конце концов к образованию тех основных органических соединений, из которых построено тело растений и животных. Таким образом, этот «великий круговорот углерода» в природе осуществляется благодаря фотохимическому превращению. Энергия, затраченная при этом солнечным светом, запасается в виде внутренней энергии продуктов превращения и является главным запасом энергии, используемым до последнего времени человеком.

Важную роль в исследовании процесса расщепления   под действием света играют исследования русского биолога Климентия Аркадьевича Тимирязева (1843—1920), который установил, что процесс этот связан с хлорофиллом растений, обусловливающим зеленую окраску листьев растений, и что он происходит по преимуществу под действием красного излучения солнечного спектра, которое наиболее сильно поглощаются хлорофиллом. Однако весь фотохимический процесс очень сложен, и, несмотря на успехи последних лет, позволившие выяснить отдельные этапы процесса, их последовательность, и взаимосвязь еще недостаточно изучены.

Наряду с этим фотохимическим процессом, идущим в природе в гигантских масштабах, известно и множество других фотохимических превращений. Простым примером может служить фотохимический процесс выцветания многих красок, состоящий в окислении этих красок кислородом воздуха под действием света. Покрасив раствором некоторой краски (цианина) слой желатины, мы можем сохранять такую окрашенную пластинку довольно долго. Но если направить на нее интенсивный пучок света (от солнца или дугового фонаря), то пластинка в тех местах, куда падает свет, выцветает так быстро, что эти участки становятся бесцветными на глазах. Отбеливание холста, растянутого на солнцепеке, по существу представляет собой фотохимическое выцветание. Многие фотохимические процессы в настоящее время используются в технике для ускоренного получения тех или иных веществ. Большинство таких процессов идет особенно энергично под действием коротковолнового ультрафиолетового света.