Обратен ефект на Комптън - действие на ефекта на Комптън
Интересното е, че е открит и така нареченият "обратен ефект на Комптън", когато фотони с ниска собствена енергия увеличават енергията си чрез разсейване върху горещи електрони. Те обясняват някои промени в спектъра на реликтовото излъчване. От 1963 г. методът на обратното разсейване на Комптън се използва за получаване на високоенергийни монохроматични r-лъчи (до няколко GeV) чрез разсейване на лазерни фотони върху електрони (позитрони), циркулиращи в пръстени за съхранение. Лъч от такива фотони е полезен при изследването на ядрата. Известен е и процесът на еластично разсейване на z-кванти от протон.
Когато се разсейват от свободни електрони, фотоните губят енергия и количеството на загубената енергия зависи от ъгъла на разсейване.
Ефект на Комптън, еластично разсейване на електромагнитно излъчване от свободни електрони, придружено от увеличаване на дължината на вълната; наблюдавани по време на разсейване на радиация с малки дължини на вълните - рентгеново и гама лъчение. В К. е. за първи път корпускулярните свойства на радиацията се проявяват в тяхната цялост.
К. е. открит през 1922 г. от американския физик А. Комптън, който открива, че рентгеновите лъчи, разпръснати в парафин, имат по-голяма дължина на вълната от падащите. Класическата теория не може да обясни подобно изместване на дължината на вълната. Всъщност, според класическата електродинамика, под действието на периодично електрическо поле на електромагнитна (светлинна) вълна, електронът трябва да осцилира с честота, равна на честотата на полето, и следователно да излъчва вторични (разсеяни) вълни със същата честота. Така при "класическото" разсейване (чиято теория е дадена от английския физик Дж. Дж. Томсън и което поради това се нарича "Томсън"), дължината на вълната на светлината не се променя.
Оригиналната теория на K. e. въз основа на квантпредстави са дадени от А. Комптън и независимо от П. Дебай. Според квантовата теория светлинната вълна е поток от светлинни кванти – фотони. Всеки фотон има специфична енергия и дължина на вълната на падащата светлина, неговата честота), c е скоростта на светлината, h е константата на Планк и n е единичният вектор в посоката на разпространение на вълната (долният индекс y означава фотон). К. е. в квантовата теория изглежда като еластичен сблъсък на две частици - падащ фотон и електрон в покой. При всеки такъв акт на сблъсък се спазват законите за запазване на енергията и импулса. Фотонът, сблъсквайки се с електрон, му предава част от енергията и импулса си и променя посоката на движение (разсейва се); намаляването на енергията на фотона означава увеличаване на дължината на вълната на разсеяната светлина. Електронът, който преди това е бил в покой, получава енергия и импулс от фотона и започва да се движи - изпитва откат. Посоката на движение на частиците след сблъсък, както и техните енергии се определят от законите за запазване на енергията и импулса (фиг. 1).
Опитът потвърди всички теоретични прогнози. По този начин беше експериментално доказана правилността на корпускулярните представи за механизма на кинетичната енергия. и по този начин правилността на изходните положения на квантовата теория.
В реални експерименти върху разсейването на фотони от материя, електроните не са свободни, а са свързани в атоми. Ако фотоните имат висока енергия в сравнение с енергията на свързване на електроните в атома (фотони на рентгенови лъчи и β-лъчение), тогава електроните изпитват толкова силен откат, че биват изхвърлени от атома. В този случай разсейването на фотоните става както при свободните електрони. Ако енергията на фотона е недостатъчна, за да изтегли електрона от атома, тогава фотонът обменя енергия и импулс с атома като цяло. Тъй като масата на атома е много голяма (споредв сравнение с еквивалентната маса на фотон, равна, според теорията на относителността), тогава практически няма откат; следователно разсейването на фотона ще се случи без промяна на енергията му, тоест без промяна на дължината на вълната (както се казва кохерентно). В тежките атоми само периферните електрони са слабо свързани (за разлика от електроните, които запълват вътрешните обвивки на атома) и следователно спектърът на разсеяното лъчение съдържа както изместена линия на Комптън от разсейване от периферни електрони, така и неизместена, кохерентна линия от разсейване от атома като цяло. С увеличаване на атомния номер на елемента (т.е. заряда на ядрото) енергията на свързване на електроните се увеличава и относителният интензитет на линията на Комптън намалява, докато този на кохерентната линия се увеличава.
Движението на електроните в атомите води до разширяване на Комптъновата линия на разсеяното лъчение. Това се обяснява с факта, че за движещи се електрони дължината на вълната на падащата светлина изглежда донякъде променена и големината на промяната зависи от големината и посоката на скоростта на електрона (виж Доплеров ефект). Внимателните измервания на разпределението на интензитета в рамките на линията на Комптън, което отразява разпределението на скоростта на електроните в разпръскващо вещество, потвърдиха правилността на квантовата теория, според която електроните се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак.
Опростената теория на K. e. не позволява да се изчислят всички характеристики на комптоновото разсейване, по-специално интензитета на разсейване на фотони под различни ъгли. Пълната теория на K. e. дава квантова електродинамика. Интензитетът на Комптъновото разсейване зависи както от ъгъла на разсейване, така и от дължината на вълната на падащото лъчение. Има асиметрия в ъгловото разпределение на разпръснатите фотони: повече фотони са разпръснати в посока напред,освен това тази асиметрия се увеличава с енергията на падащите фотони. Общият интензитет на комптоновото разсейване намалява с увеличаване на енергията на първичните фотони; това означава, че вероятността за комптоново разсейване на фотон, преминаващ през материя, намалява с неговата енергия. Тази зависимост на интензитета E определя мястото на K. e. наред с други ефекти от взаимодействието на радиацията с материята, отговорни за загубата на енергия от фотоните по време на полета им през материята. Например в оловото (в статията Гама радиация) K. e. има основен принос за енергийните загуби на фотони при енергии от порядъка на 1--10 MeV (в по-лек елемент - алуминий - този диапазон е 0,1--30 MeV); под тази област, фотоелектричният ефект успешно се конкурира с него, а над него, производството на двойки (виж Анихилация и производство на двойки).
Комптъновото разсейване се използва широко в изследванията на γ-лъчение от ядра и също така е в основата на принципа на работа на някои гама-спектрометри.
К. е. Възможно е не само върху електрони, но и върху други заредени частици, например върху протони, но поради голямата маса на протона, неговият откат се забелязва само когато се разпръскват фотони с много висока енергия.
Двойна К. е. - образуването на два разпръснати фотона вместо един първичен, когато се разсейва от свободен електрон. Съществуването на такъв процес следва от квантовата електродинамика; за първи път е наблюдаван през 1952 г. Вероятността му е приблизително 100 пъти по-малка от тази на обикновения K. e.
Ако електроните, върху които се разпръсква електромагнитното лъчение, са релативистични (т.е. те се движат със скорости, близки до скоростта на светлината), тогава при еластично разсейване дължината на вълната на радиацията ще намалее, т.е. енергията (и импулсът) на фотоните ще се увеличи поради енергията (и импулса) на електроните. Това явление се наричаобратен K. e. Обратно K. e. често се използват за обяснение на механизма на излъчване на космически рентгенови източници, формирането на рентгеновия компонент на фоновото галактическо лъчение и трансформацията на плазмените вълни във високочестотни електромагнитни вълни.
Ориз. 3.Графика на общия интензитет на Комптъново разсейване s спрямо енергията на фотона Eg (в единици общ интензитет на класическото разсейване); стрелката показва енергията, при която започва раждането на двойки електрон-позитрон.
рентген Комптън
Ориз. 1.Еластичен сблъсък на фотон и електрон при ефекта на Комптън. Преди сблъсъка електронът е бил в покой; pn и pn' -- инцидентни и разпръснати фотони, -- импулс на отката (n -- неговата скорост), разсейване на фотон, J -- ъгъл на отклонение на електрон на отката спрямо посоката на падащ фотон.
Ориз. 2.Зависимост на енергията на разсеяния фотон E'g от ъгъла на разсейване J (за удобство е показана само горната половина на симетричната крива) и енергията на отката на електрона Ee от ъгъла на излъчване j (долната половина на кривата).
Количествата, свързани с едно събитие на разсейване, са отбелязани с еднакви числа. Векторите, изтеглени от точката O, в която фотон на енергия, напр. Свързана с електрон в покой, до съответните точки на тези криви, изобразяват състоянието на частиците след разсейване: величините на векторите дават енергията на частиците, и ъглите, които векторите се образуват с посоката на падащия фотон, определят разсейващия ъгъл на фотона j и ъгъла на напускане на отбиването, определят разсейващия ъгъл. (Графиката е начертана за случай на разсейване на "твърди" рентгенови лъчи с дължина на вълната hc / Eg = l0 = 0,024.
Комптъновото разсейване е еластичното разсейване на фотон от свободен електрон. К.р. определя непрозрачността на веществото за твърд(високо енергийни) рентгенови и гама лъчи. Той играе важна роля в атмосферата на неутронни звезди, в рентгеновите лъчи. източници, в дълбините на звездите. Специален случай на K. r. в границата на нискочестотни фотони и нискоенергийни електрони явл. Разсейване на Томсън. Разсейването на фотон от електрон в покой, поради законите за запазване на енергията и импулса, е придружено от намаляване на енергията на фотона и прехвърлянето му към електрона. Това явление е експериментално открито през 1922 г. от амер. физик А. Комптън, който изучава разсейването на рентгеновите лъчи. лъчи в графит и е известен като ефект на Комптън (ефект на Комптън) или ефект на отката. Разсейването на нискочестотни фотони от ултрарелативистки електрони води до увеличаване (в пъти) на енергията на фотоните – т.нар. обратен ефект на Комптън. Обратен ефект на Комптън явл. един от най-важните механизми за формиране на спектрите на рентгеновото и гама лъчение е астрономическият. обекти.
Ориз. 1.Зависимост на напречното сечение на Комптън разсейване от параметъра
Напречното сечение се нормализира до
Раздел К. р. (Напречно сечение на Klein-Nishina-Tamm) зависи от параметъра, където е честотата на фотона преди разсейване, ( е косинусът на ъгъла между посоките на разпространение на фотона и електрона преди разсейването, v е скоростта на електрона преди разсейването, е факторът на Лоренц на електрона. Тази зависимост е показана на фиг. 1. В случай на разсейване от електрон в покой, намалява с увеличаване на x: "По този начин, за нискочестотни фотони, напречното сечение на разсейване е равно на напречното сечение на Томсън. Когато се разсейват от електрони в покой, индикатриса на разсейване на нискочестотни фотони е Rayleigh (виж Rayleigh scattering). At увеличава вероятността за разсейване напред, т.е. в посокатаразпространение на фотони (виж Фиг. 1 в статията Взаимодействие на радиацията с материята).
Подобно на разсейването на Томсън, K. r. може да доведе до забележима поляризация. ефекти.
В курса To. честотата на фотона и енергията на електрона се променят. Честота на фотона след разсейване
където е косинусът на ъгъла между посоките на разпространение на фотона след разсейване и електрона преди разсейване, е ъгълът на разсейване (ъгълът между посоките на разпространение на фотона преди и след разсейването, фиг. 2). Когато се разсейва от електрон в покой (ефект на Комптън)
т.е. дължината на вълната на фотона се увеличава по време на разсейване, това увеличение (пропорционално на h и следователно имащо квантова природа) зависи само от ъгъла на разсейване. Стойност на името Дължина на вълната на Комптън. От (2) се вижда, че промяната в дължината на вълната на фотона по време на разсейване от неподвижен електрон не надвишава и следователно е значима само за радиация с достатъчно къса дължина на вълната.
Ориз. 2.Геометрия на комптъновото разсейване. Плътни стрелки - посоки на движение на електрони преди и след разсейване, вълнообразни - същото за фотона
При К. р. на твърд фотон с енергия върху електрон, има малка вероятност за раждане на нискочестотен фотон с енергия : . Този процес се нарича двоен Комптън ефект. Производството на нискочестотни фотони, дължащо се на двойния ефект на Комптън, може да се конкурира с процеса на спирачно лъчение e + pe + p + (вижте Bremsstrahlung) само в изключително разредена и гореща плазма в ранните етапи на разширяването на Вселената, в източници на рентгенови и гама лъчи.
Ефектът на Комптън ограничава обхвата на твърдите фотони в материята. В резултат на многократно разсейване твърдият фотон намалява енергията си (предавайки я на електрони), преминава в друга област на спектъра и се абсорбира поради фотойонизацията на атомите. К. р.определя дължината на пътя на твърдите рентгенови лъчи. фотони (10 keV