§17. Корпускулярно волновой дуализм.

Опыт Боте.

Явления интерференции и дифракции позволяют рассматривать свет с волновой точки зрения, однако такие опыты, как фотоэффект, эффект Комптона, опыт Боте, выявляющие наличие «красной границы» характеристического РИ, позволяют рассматривать свет, как поток частиц световых квантов или фотонов.

Корпускулярно-волновой дуализм – это одновременное обладание волновыми и корпускулярными свойствами.

Специальная теория относительности (СТО) говорит о том, что есть связь между энергией и импульсом частицы.

- масса покоя.

Т.к. фотоны движутся со скоростью света и в состоянии покоя не существуют, то их масса покоя равна нулю . Следовательно, энергию фотона можно выразить:

- масса фотона.

Опыт Боте доказывает существование отдельных фотонов.

В результате рентгеновской флюоресценции газоразрядные счетчики 1 и 2 формируют импульсы, поступающие на метчики, которые могли ставить метки обоих сторон подвижной ленты. Было установлено, что счетчики срабатывают не одновременно, т.о. существуют отдельные фотоны.

Существование импульса у отдельных фотонов было доказано в опыте Комптона.

§18. Эффект Комптона.

Рассеиватель из легких элементов, таких как графит, парафин и т.д.

В этом опыте наблюдалось рассеяние РИ, было установлено, что в спектре рассеянной волны имеется смещенная компонента.

–называют Комптоновски смещением. Было установлено, что для легких атомов зависит только от угла рассеяния, в прямой пропорции. Т.е., чем больше, тем больше интенсивность компоненты.

–комптоновская длина волны, взятая из эксперимента.

В легких атомах относительно велика для электронов, слабо связанных с атомным ядром, в этом случае, при столкновении, энергия связи электрона с ядром меньше энергии, передаваемой электрону квантом

Будем считать, что электрон свободен и покоится. Соответственно, рассеяние фотона с изменением длины волны можно рассмотреть, как результат одиночного столкновения фотона с электроном, в результате которого происходит передача энергии и частота фотона уменьшается.

- импульс электрона отдачи

- импульс смещенного фотона

ЗСЭ и И:

Из рисунка:

После столкновения электрон обладает энергией E и импульсом , связанных соотношением из теории относительности:

Начальная энергия электрона

Делим это уравнение на с , переносим все в левую часть, возводим в квадрат и выражаем квадрат импульса электрона

Приравняем (1) и (2), получим:

Комптоновская длина волны электрона:

В данном выводе был рассмотрен случай рассеяния на легких атомах

Если рассматривать рассеиватель из тяжелых атомов, то в них электрон связан с ядром сильно и следует говорить о рассеянии непосредственно на атоме.

–комптоновская длина волны атома.

Т.к. , тои смещенная компонента не наблюдается или отсутствует.

Для кванта видимого света все электроны являются сильно связанными с ядром и поэтому смещенная компонента не наблюдается.

При рассеянии жесткого РИ на любых рассеивателях электроны можно считать свободными и в спектре наблюдается только смещенная компонента.

Рассмотрим электрон отдачи.

ЗСИ:

Ox:

Oy:

В первом опыте Комптона наблюдался интегральный результат столкновения потока фотонов с электронами. Позднее, в 1923г., Боте и Вильсон наблюдали индивидуальное столкновение фотонов с электронами. В 1925г. Боте и Гейгер доказали, что электрон отдачи и фотон появляются одновременно.

Корпускулярно-волновой дуализм – потенциальная возможность квантового объекта в некоторых ситуациях вести себя, как частица, в других, как волна, либо в смешанном состоянии.

Фотон – квантовый объект, связанный с ЭМ излучением, который при взаимодействии с веществом всегда ведет себя, как единое целое, характеризуемое уравнениями:

Фотону нельзя сопоставить какую-либо напряженность ЭП , точно также нельзя представлять фотон в виде какой-либо материальной точки, находящейся в определенном месте пространства.

Корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам (электрон, протон, нейтрон).