КОМПТОНА ЭФФЕКТ

(комптон-эффект), упругое рассеяние эл.-магн. излучения на свободных (или слабо связанных) эл-нах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и g-излучений. Открыт в 1922 амер. физиком А. Комптоном (A. Compton) при исследовании рассеяния рентг. лучей в парафине. В К. э. впервые во всей полноте проявились корпускулярные св-ва эл.-магн. излучения (в частности, света).

Согласно классич. теории рассеяния света (развитой англ. физиком Дж. Томсоном), длина световой волны при рассеянии не должна меняться: под действием периодич. электрич. поля световой волны эл-н колеблется с частотой поля и поэтому излучает вторичные (рассеянные) волны той же частоты.

Первоначальная теория К. э. на основе квант. представлений была дана Комптоном и независимо от него голл. физиком П. Дебаем. По квант. теории, световая волна представляет собой поток световых квантов — фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию

?g=hn=hc/l

и импульс

pg=(h/l)n,

где l и n — длина волны в частота падающего света, n — единичный вектор в направлении распространения волны.

К. э. в квант. теории выглядит как упругое столкновение двух ч-ц — налетающего фотона и покоящегося эл-на. В каждом акте столкновения соблюдаются законы сохранения энергии и импульса. Фотон передаёт часть своей энергии и импульса эл-ну и изменяет направление движения — рассеивается; уменьшение энергии фотона и означает увеличение длины волны рассеянного света. Эл-н, получивший от фотона энергию и импульс, приходит в движение — испытывает отдачу. Направления движения ч-ц после столкновения и их энергии определяются законами сохранения энергии и импульса. (Т. к. при рассеянии фотонов высокой энергии эл-в отдачи может приобрести значит. скорость, необходимо учитывать релятив. зависимость энергии и импульса эл-на от его скорости.) Рис. 1 иллюстрирует закон сохранения импульса при К. э. Совместное решение ур-ний, выражающих законы сохранения энергии и импульса при К. э., даёт для сдвига длины световой волны Dl ф-лу Комптона:

Рис. 1. Упругое столкновение фотона и эл-на в комптон-эффекте. До столкновения эл-н покоится. рg и p'g — импульсы налетающего и рассеянного фотонов; рe— импульс эл-на отдачи; q — угол рассеяния фотона; j — угол, под к-рым летит эл-н отдачи относительно направления падающего фотона.

Dl=l'-l= l0(1-cosq). (1) Здесь l'— длина волны рассеянного света, q — угол рассеяния фотона, а l0=h/mec»2,426•10-10 см »0,024 ?— т. н. комптоновская длина волны эл-на (mе— масса покоя эл-на). Из ф-лы (1) следует, что Dl не зависит от длины волны падающего света, а определяется лишь углом q и максимален при q=180° (при рассеянии назад): Dlмакс= 2l0. Из этих же ур-ний можно получить выражение для энергии ?е эл-на отдачи («комптоновского» эл-на) в зависимости от угла его вылета j. Эл-ны отдачи всегда имеют составляющую скорости по направлению движения падающего фотона (т. е. j<90°).0пыт подтвердил предсказанную зависимость Dl от q и наличие эл-нов отдачи. Т. о. экспериментально была доказана правильность корпускулярных представлений о механизме К. э. и тем самым — правильность исходных положений квант. теории.

В реальных опытах по рассеянию фотонов в-вом эл-ны не свободны, а связаны в атомах. Если ?g велика по сравнению с энергией связи эл-нов в атоме (?св), то рассеяние происходит, как на свободных эл-нах. Если же ?g недостаточна для того, чтобы вырвать эл-н из атома, то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Т. к. масса атома очень велика (по сравнению с эквивалентной массой фотона ?g/c2), то отдача практически отсутствует и рассеяние фотонов происходит без изменения их энергии, т. е. без изменения длин волн,— когерентно. В тяжёлых атомах лишь периферич. эл-ны связаны слабо, поэтому в спектре рассеянного излучения присутствует как смещённая, комптоновская, линия от рассеяния на таких эл-нах, так и несмещённая линия от рассеяния на атоме в целом.

Рассмотренная упрощённая теория К.э. не позволяет вычислить все хар-ки комптоновского рассеяния, в частности интенсивность рассеяния фотонов под разными углами. Полную теорию К. э. даёт квантовая электродинамика. В этой теории К. э. представляется так: эл-н е поглощает (в точке 1) падающий на него фотон g и переходит из начального в нек-рое промежуточное (виртуальное) состояние е*, после чего виртуальный эл-н испускает (в точке 2) новый, конечный фотон g', а сам переходит в конечное состояние е'. Этот процесс можно представить в виде Фейнмана диаграммы, изображённой на рис. 2. Возможна и др. последовательность процесса: начальный эл-н сначала испускает конечный фотон и переходит в виртуальное состояние, а затем, поглощая начальный фотон, превращается в конечный эл-н (рис. 3). Испускание и поглощение эл-ном фотона происходят в результате вз-ствия эл-на с эл.-магн. полем, к-рое на диаграммах осуществляется в точках 1 и 2. Интенсивность комптоновского рассеяния зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего излучения. В угл. распределении рассеянных фотонов наблюдается асимметрия: больше фотонов рассеивается по направлению вперёд, причём эта асимметрия увеличивается с ростом ?g. Полная интенсивность (или сечение s) комптоновского рассеяния падает с ростом ?g. Зависимость s от ?g даётся ф-лой Клейна — Нишины, представляющей собой результат расчётов, отвечающих двум диаграммам Фейнмана на рис. 2 и 3. Эту ф-лу можно записать в виде:

s=sT(1-f(e)),

где sT=8/3pr20 — сечение томсоновского рассеяния, r0=е2/mес2»2,8•10-13 см— т. н. классич. радиус эл-на, e — энергия падающих фотонов в ед. mес2 (e=?g/mес2), а f(e) — ф-ция, возрастающая при увеличении e. При малых энергиях фотона f(e)®0 и s=sТ»7•10-24 см2. С ростом e уменьшается s и при очень высоких e оно падает до нуля, т. к. в этом случае f(e)®1 (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости полного сечения о комптон-эффекта (в ед. сечения классич. рассеяния sT) от энергии фотона ?g ; стрелка указывает энергию, при к-рой начинается рождение электрон-позитронных пар.

Такая зависимость сечения от энергии определяет место К. э. среди др. эффектов вз-ствия излучения с в-вом, ответственных за потери энергии фотонами при их пролёте через в-во. К. э. даёт гл. вклад в энергетич. потери фотонов в свинце при ?g порядка 1—10 МэВ (в более лёгком элементе — алюминии этот диапазон составляет 0,1—30 МэВ); ниже этой области с ним успешно конкурирует фотоэффект, а выше — рождение пар (см. рис. 2 в ст. (см. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ)).

Комптоновское рассеяние широко используется в исследованиях g-излучения ат. ядер, лежит в основе принципа действия нек-рых гамма-спектрометров и др.

К. э. возможен не только на эл-нах, но и на др. заряж. ч-цах, напр. на протонах, однако из-за большой массы протона отдача его заметна лишь при рассеянии фотонов очень высокой энергии.

Обратный Комптона эффект. Если эл-ны, на к-рых упруго рассеивается эл.-магн. излучение, релятивистские, то энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счёт энергии (и импульса) эл-нов, т. е. длина волны при рассеянии будет уменьшаться. Это явление наз. обратным К. э. Его часто привлекают для объяснения механизма рентг. излучения косм. источников, образования рентг. компоненты фонового галактич. излучения, трансформации плазм. волн в эл.-магн. волны высокой частоты.