10.7. Эффект Комптона

Рис. 74: а) схема модели электрона; b) схема модели фотона

Известен факт увеличения длины волны отраженных фотонов. Наиболее надежно и точно он фиксируется в эффекте Комптона. При этом, в соответствии с законом локализации фотонов , масса отраженных фотонов уменьшается. Это однозначно свидетельствует о потере массы, а значит - и энергии фотоном. Если владелец потерянной массы остаётся неизвестным, то эффект Комптона становится ярким доказательством нарушения закона сохранения энергии и этот факт невозможно опровергнуть никакими косвенными экспериментами, доказывающими обратное.

Рис. 75. Схема для изучения эффекта Комптона: 1-рентгеновская трубка; 2-свинцовые экраны с прорезями; 3-фотопленка

На рис. 75 показана схема экспериментальной установки для изучения эффекта Комптона, а на рис. 76 – схема изменения длины волны отраженных фотонов при изменении угла . В эксперименте использовались рентгеновские фотоны с длиной волны .

Как видно (рис. 76), при увеличении угла рассеяния (рис. 76) интенсивность несмещенной линии (рис. 76) падает, а интенсивность смещенной линии возрастает. Чтобы найти математическую модель, описывающую изменение длины волны отраженного фотона, надо знать, прежде всего, геометрические параметры взаимодействующих объектов – рентгеновских фотонов и электронов.

Рис. 76. Схема изменения длины волны отраженных фотонов

от угла

Известно, что длина волны рентгеновского фотона равна радиусу его вращения и изменяется в интервале . Длина волны, а значит и радиус свободного электрона равны , то есть радиус свободного электрона - в интервале изменения радиусов рентгеновских фотонов.

Конечно, при энергетических переходах электрона в атоме, длина его волны (радиуса) изменяется. Однако эти изменения у поверхностных электронов настолько незначительны, что в данном случае ими можно пренебречь. Сравнивая длину волны рентгеновского фотона, использованного в эксперименте, и длину волны электрона , видим их близкие значения.

На рис. 76 приведены спектры ( и ), рассеянные под одним и тем же углом различными веществами.

Главный вывод, который следует из этого рисунка: при возрастании атомного номера химического элемента вещества, интенсивность несмещенной линии P возрастает, а интенсивность смещенной линии M падает. Так, у лития (Li) максимальная интенсивность излучения состоит из смещенной М составляющей, а у меди (Cu) наоборот, интенсивность несмещенной линии P значительнее интенсивности смещенной линии M.

Возникает вопрос: почему интенсивность смещённой линии (M) с увеличением номера химического элемента вначале растёт, а потом падает (рис. 76)? Ответ на этот вопрос следует из рисунка 123, на котором показаны модели ядер атомов, самих атомов и некоторых молекул. Нетрудно видеть, что поверхность атомов лития и бериллия слабо заселена электронами, поэтому у рентгеновских фотонов имеется возможность взаимодействовать с отдельными электронами этих атомов.

Это - главная причина увеличенной интенсивности его смещённой (М) линии (рис. 76). По мере заполнения поверхности атомов электронами интенсивность смещенных линий (М) падает, а несмещённых (Р) растёт (рис. 76). Причина одна. Когда поверхность атома (рис. 77, а и b) слабо заселена электронами, то рентгеновские фотоны имеют большую вероятность взаимодействовать с отдельными электронами.

Рис. 77. Эффект Комптона на радиаторах из различных материалов

При увеличении номера химического элемента увеличивается заполнение поверхностей атомов электронами (рис. 77) и возможность для рентгеновских фотонов взаимодействовать индивидуально с электронами сохраняется до определённого предела. Из рис. 76 следует, что атомы кальция и калия являются предельными для увеличения смещённой М составляющей. Поверхность химических элементов с большими номерами так заселена электронами, что интенсивность смещённой (М) линии начинает уменьшаться, а несмещённой (Р) расти (рис. 77). Это значит, что рентгеновские фотоны теряют возможность взаимодействовать с отдельными электронами и воспринимают поверхность атома, густо заселённую электронами, как некоторую плоскость, отражаясь от которой, они почти не излучают и не теряют свою массу.

Если представить атом меди, ядро которого показано на рис. 78, е, то его поверхность заполнена электронами полнее. Это затрудняет взаимодействие рентгеновских фотонов с отдельными электронами и интенсивность смещенной линии М (рис. 77) уменьшается, что и согласуется с рис. 78.

Рис. 78: а) модель ядра и атом лития; b) модель ядра и атома

бериллия; c) модель молекулы азота; d) модель молекулы воды;

e) модель ядра атома меди; i) архитектоника поверхности многоэлектронного атома; k) валентные электроны , связывающие многоэлектронные атомы в молекулы

У нас есть основания представить поверхность многоэлектронного атома в виде одуванчика (рис. 78, j). Тогда поверхность такого невозбуждённого атома, заполненная электронами, будет близка к сферической и рентгеновские фотоны отражаются от такой поверхности почти не теряют своей массы, а значит и энергии. Когда же один из электронов материала экрана поглощает фотон, то энергия связи такого электрона с ядром уменьшается, в результате он удаляется от ядра и от общей сферической поверхности атома (рис. 78, k). В таком состоянии он становится активным – готовым вступить в связь с аналогичным электроном другого атома. Так образуются молекулы из многоэлектронных атомов (рис. 78, k).

Таким образом, сравнивая ядра и поверхности атомов лития и бериллия (рис. 78, a и b) с ядром атома меди (рис. 78, е) и воображаемой поверхностью атома меди, заселённую электронами (рис. 78, j), видим значительную возможность рентгеновских фотонов взаимодействовать индивидуально с электронами атома лития и бериллия, и меньшую - с электронами атома меди (рис. 78, j). Экспериментальные данные, представленные на рис. 77, убедительно подтверждают это.

Итак, фотоэффект – источник фотонов, излучённых электронами атомов и ионов. Эффект Комптона - надёжный источник точных радиусов электронов. [1], [2], [3], [4], [5].