Природа эффекта Комптона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Природа эффекта Комптона

1.1 Описание опыта Комптона

1.2 Эффективное сечение и интенсивность рассеяния

Глава 2. Эксперимент эффекта Комптона

2.1 Теоретическое объяснение

2.2 Соответствие экспериментальных данных с теорией

2.3 Вопросы к теории эффекта Комптона

Заключение

Список использованной литературы

Введение

эффект комптон экспериментальный

В начале 20 века существовали два совершенно разных способа описания взаимодействия света с веществом, каждый из которых подтверждался значительным числом экспериментальных данных. С одной стороны, теория электромагнитного излучения Максвелла (1861) утверждала, что свет представляет собой волновое движение электрического и магнитного полей; с другой, квантовая теория Планка и Эйнштейна доказывала, что при некоторых условиях пучок света, проходя через вещество, обменивается с ним энергией, причем процесс обмена напоминает столкновение частиц. Важное значение работы Комптона состояло в том, что она явилась важнейшим подтверждением квантовой теории, поскольку, показав неспособность теории Максвелла объяснить экспериментальные данные, Комптон предложил простое объяснение, основанное на гипотезе квантов.

Эффект Комптона состоит в изменении длины волны, сопровождающем рассеяние пучка рентгеновских лучей в тонком слое вещества. Явление было известно еще за несколько лет до работы Артура Комптона, который опубликовал в 1923году результаты тщательно выполненных экспериментов, подтвердивших существование этого эффекта, и одновременно предложил его объяснение. (Вскоре независимое объяснение было дано П.Дебаем, почему явление иногда называют эффектом Комптона - Дебая.)

Целью данной курсовой работы является изучение физических основ эффекта Комптона, его теоретическое описание и экспериментальное подтверждение. Задача: более глубоко понять специальные вопросы экспериментальной методики и теоретической интерпретации эффекта Комптона.

Глава 1. Природа эффекта Комптона

Рассеяние рентгеновских и г - лучей в веществе относится к числу явлений, в которых отчетливо проявляется двойственная природа излучения. Волновая теория, удовлетворительно объясняющая эффекты рассеяния длинноволнового излучения, оказывается несостоятельной при описании рассеяния рентгеновских и г-лучей, в частности, при интерпретации экспериментально обнаруживаемого факта появления в составе рассеянного излучения длинноволновых компонент, отсутствующих в спектре первичного излучения. Детально изученное американским физиком Комптоном появление смещенной компоненты в спектре рассеяния рентгеновского излучения легко объясняется в предположении, что излучение имеет чисто корпускулярную, квантовую природу, т.е., представляет собой поток фотонов, обладающих энергией h. Рассеяние рентгеновских лучей на свободных (слабо связанных) электронах вещества с появлением компоненты излучения, смещенной в сторону увеличения относительно длины волны первичного излучения, интерпретируется как результат абсолютно упругого соударения двух частиц - электрона и фотона, обладающих определенными значениями энергии и импульса. Результаты эксперимента Комптона оказались в прекрасном согласии с выведенной им формулой, хотя при этом не учитывалось наличие связи электрона в атоме. Кажущееся несоответствие нетрудно понять, если вспомнить, что энергия связи наружных электронов в легких атомах измеряется десятками электрон-вольт, в то время как энергия рентгеновских квантов в опытах Комптона составляла десятки килоэлектрон-вольт. Естественно, что энергия связи в этих опытах не могла существенным образом изменить рассматриваемую здесь схему взаимодействия. Формулу Комптона нетрудно обобщить на случай движущегося электрона. Возжеников Г.С., Белышев Ю.В. Радиометрия и ядерная геофизика. Учебное пособие. - Тверь: Изд-во "АИС", 2002. - 308сПри этом оказывается, что длина волны л зависит от начальной скорости электрона, причем при рассеянии на электроне, движущемся навстречу кванту с достаточно высокой энергией, энергия рассеянного кванта может даже возрастать. Заметим, что комптоновское рассеяние может происходить не только на электроне, но и на любой частице, способной взаимодействовать с электромагнитным излучением. При этом все формулы, основанные на законе сохранения, остаются справедливыми (с заменой m0 на массу покоя рассматриваемой частицы). Из теоретических выводов Комптона не следует, что в рассеянном излучении не присутствует несмещенная линия спектра. Это объясняется допущением, что рассеяние происходит только на свободных электронах. Возникновение несмещенной компоненты в спектре рассеянного излучения связано с тем, что при взаимодействии коротковолнового электромагнитного излучения с веществом возможны различные процессы, отличные по своей природе от комптоновского рассеяния. Основной причиной появления несмещенной компоненты можно считать когерентное (релеевское) рассеяние на связанных (внутренних) электронах. Такое рассеяние можно рассматривать как процесс, при котором атомы вещества вначале поглощают падающие рентгеновские кванты и переходят в «возбужденное» состояние, затем, возвращаясь в первоначальное состояние, излучают фотоны. При этом изменение количества движения воспринимается атомом в целом, так как электроны внутренних оболочек прочно связаны с атомами. Поскольку масса атома велика, то квант практически не передаёт ему своего количества движения, т.е. рассеянный фотон имеет ту же энергию и то же количество движения, что и падающий. Таким образом, процесс когерентного рассеяния можно рассматривать как процесс упругого столкновения рентгеновского кванта с тяжёлым атомом в целом. Известно, что сечение процесса характеризует вероятность данного процесса взаимодействия (соударения) между частицами. По мере роста атомного номера рассеивателя, интенсивность, (а следовательно, и сечение когерентного рассеяния) растет как Z ² . При рассеянии г-лучей средних и больших энергий сечение когерентного рассеяния мало, однако при меньших энергиях рентгеновского излучения когерентное рассеяние может быть определяющим процессом взаимодействия излучения с веществом. В отличие от когерентного рассеяния зависимость интенсивности комптоновского рассеяния от Z слабая (или практически отсутствует). Сечение комптоновского рассеяния на атоме пропорционально его порядковому номеру и уменьшается как (h) -1 (при h>>mc 2 ) с ростом энергии рентгеновских лучей. Качественно объяснить описанную выше зависимость интенсивности смещенной и несмещенной компонент от природы вещества можно следующим образом: чем меньше Z элемента, тем больше доля слабосвязанных электронов, которые можно рассматривать как свободные, т.е. тем больше интенсивность смещенной компоненты, обусловленной комптоновским рассеянием на валентных электронах, и, наоборот, чем больше порядковый номер элемента, тем меньше доля слабосвязанных электронов и тем больше интенсивность несмещенной компоненты, обусловленной когерентным рассеянием на внутренних электронах, находящихся в заполненных оболочках.

1.1 Описание опыта Комптона

Если фотоны действительно можно уподобить частицам, то они, кроме энергии, должны иметь и импульс. Более того, импульс фотонов, если он у них существует, должен быть связан с энергией той же формулой, которая имеет место в механике. Из релятивистской механики известна следующая формула 2 p Ev c . Здесь под v следует понимать скорость частицы, а E - ее энергия. Если применить эту формулу к фотону, то нужно считать, что v = c. Тогда формула, связывающая энеpгию и импульс фотона, должна иметь вид 2 p Ec c . Поскольку энергия фотона равна h, импульс фотона должен выражаться следующей формулой p h c . Возникал вопрос: так ли это? И вообще, можно ли фотону приписать импульс? Очевидно, этот вопрос нельзя было решить теоретически. Он был разрешен Комптоном экспериментально. Импульс частиц в механике лучше всего обнаруживается в процессах их столкновения. Комптон и исследовал процесс столкновения фотонов с электронами. Если фотон имеет импульс, то при столкновении с электроном суммарный импульс должен сохраняться, что в опыте так или иначе должно проявляться. Комптон поставил опыт по рассеянию рентгеновских лучей на графите. Известно, что видимый свет рассеивается на очень мелких, но все же макроскопических предметах (на пыли, на мелких каплях жидкости или шероховатостях отражающей поверхности). Рентгеновские же лучи, как свет очень короткой длины волны, должны рассеиваться на атомах и отдельных электронах. Суть опыта Комптона заключалась в следующем. Узкий направленный пучок монохроматических рентгеновских лучей направляется на небольшой образец из графита (рис. 1). Можно также использовать и другое вещество (Образец) с не слишком большим средним атомным номером. В рентгеновской трубке (РТ) электроны, ускоряемые электрическим полем, приложенным между катодом (К) и анодом (А), порождают тормозное и характеристическое излучение, генерируемое внутри материала анода. Выделяемый диафрагмами Д1 Д2 узкий пучок первичного рентгеновского излучения (обладающий малой угловой расходимостью) направлялся на рассеивающее вещество.

Рисунок 1 - Схема опыта Комптона

В этом опыте излучение проходило сквозь исследуемое вещество. Рассеянные лучи регистрировались под pазличными углами pассеяния, и с помощью pентгеновскогоспектpогpафаизмеpялась длина волны. Спектральный состав рассеянного излучения исследовался с помощью рентгеновского спектрографа, содержащего кристалл-монохроматор (Кр) и фотопластинку, служившую детектором (Счетчик) монохроматического излучения. В каждом положении кpисталла угол падения на кристалл - угол дифpакции, удовлетвоpяющий условию Вульфа-Бpэгга, определял длину волны отраженного излучения. Рентгеновские лучи, как известно, обладают хорошей проникающей способностью: они проходят через вещество, и одновременно часть их рассеивается во всех направлениях на атомах исследуемого вещества. При этом рассеяние может осуществляться не только при прохождении сквозь вещество, но и при отражении лучей в обратную сторону. Естественно полагать, что рассеяние будет осуществляться: - на электронах из глубоких атомных оболочек (они хорошо связаны с атомами и в процессе рассеяния не отрываются от ядра). Согласно классическим представлениям при таком возбуждении электроны колеблются с частотой возбуждающих их электромагнитных волн - падающего рентгеновского излучения; - на внешних, валентных электронах, которые, наоборот, слабо связаны с ядрами атомов. Их, по отношению к взаимодействию с такими жесткими лучами, как рентгеновские, можно pассматpивать как свободные (т.е. пpенебpечь их связью с атомами). Интерес представляло рассеяние именно второго pода. Была обнаpужена зависимость pазности длин волн падающего и pассеянного света от угла pассеяния. На рис. 2 приведены экспериментальные данные рассеяния монохроматических рентгеновских лучей (линия К молибдена) на графите.

Рисунок 2 - Рентгеновские спектры упругого и неупругого рассеяния Mo К

На верхнем рисунке представлен спектр первичного излучения. Изображенные ниже кривые относятся к углу рассеяния =135. По оси ординат отложена интенсивность излучения в относительных единицах, по оси абсцисс - длина волны в порядке возрастания значений слева направо.

1.2 Эффективное сечение и интенсивность рассеяния

Процессы рассеяния описываются эффективным сечением, являющимся важнейшей характеристикой взаимодействия. Дифференциальное сечение рассеяния представляет собой отношение количества энергии, испускаемой рассеивающей системой в данном направлении в единицу времени (мощность в единичный телесный угол), к плотности потока мощности, падающей на систему, т.е. мощности на единицу площади в плоскости, перпендикулярной волновому вектору. Величина r₀=2,818*10^-15 м называется классическим радиусом электрона. С классической точки зрения, равномерно заряженная сфера с зарядом e и радиусом r₀ обладает электростатической энергией, равной энергии покоя электрона. Интегрированием этого выражения по телесному углу можно найти полное сечение рассеяния атома, которое называется Томсоновским. Поперечное сечение представляет эффективную площадь, при попадании на которую электромагнитная волна полностью рассеивается. В модели томсоновского рассеяния все электроны атома полагаются одинаковыми. При этом атом с зарядом Z представляется в виде непрерывного размазанного в небольшом объеме положительного заряда с вкрапленными в него точечными электронами (в целом атом электрически нейтрален). Интегральное сечение рассеяния у_int=8Zрr₀/3 получают интегрированием по углам . Под влиянием напряженности электромагнитного поля падающей на атом волны электроны приобретают колебательное движение с частотой волны и сами становятся источниками вторичного излучения, называемого рассеянным. Электроны в атоме полагаются свободными, а частота рассеянного излучения равна частоте падающего на атом излучения. На рубеже XIX-XX веков считалась общепризнанной моделью строения атома - модель, предложенная Дж. Дж. Томсоном, а механизм рассеяния получил название томсоновского. При длинах волн рентгеновского излучения порядка размеров атома, их частота много больше собственных частот колебаний электронов в атомах. В этом случае рассеяние рентгеновского излучения на атомах сводится к рассеянию на отдельных электронах атомов, а поперечное сечение рассеяния на атоме является просто суммой поперечных сечений рассеяния на электронах, входящих в атом, и не зависит от длины волны рентгеновского излучения. Сечение комптоновского рассеяния на электроне с учетом спина электрона было получено Клейном и Нишиной. В диапазоне, соответствующем энергии кванта Mo K, приближенно можно считать одинаковыми дифференциальные сечения упругого и неупругого рассеяния рентгеновского излучения на отдельном электроне. Как известно, под интенсивностью понимают мощность, регистрируемую детектором, монохроматического излучения, попадающего в приемную щель. Обозначим через n количество слабо связанных электронов, тогда (Z_эфф-n) - соответствующее количество внутренних электронов. Здесь Z_эфф- общее количество электронов в исследуемом образце (усредненный заряд ядра). Приближенно отношение интегральных интенсивностей линий когерентного и некогерентного рассеяния можно полагать пропорциональным величине. Коэффициент м, вообще говоря, зависит от атомного номера и структуры внутренних электронных оболочек. Экспериментально измеренные параметры спектров для образцов 4Be, 6C, 13Al, 14Si, 16S позволили определить усредненное значение этого коэффициента. Оказалось, что в рассматриваемом интервале атомных номеров значение 4 с погрешностью, не превышающей 5%Детлаф, А.А. Курс физики учеб. пособие/А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-590 с.

Глава 2.Эксперимент эффекта Комптона

2.1 Теоретическое объяснение

В то время существовали два совершенно разных способа описания взаимодействия света с веществом, каждый из которых подтверждался значительным числом экспериментальных данных. С одной стороны, теория электромагнитного излучения Максвелла (1861) утверждала, что свет представляет собой волновое движение электрического и магнитного полей; с другой, квантовая теория Планка и Эйнштейна доказывала, что при некоторых условиях пучок света, проходя через вещество, обменивается с ним энергией, причем процесс обмена напоминает столкновение частиц. Важное значение работы Комптона состояло в том, что она явилась важнейшим подтверждением квантовой теории, поскольку, показав неспособность теории Максвелла объяснить экспериментальные данные, Комптон предложил простое объяснение, основанное на гипотезе квантов.

Рассеивание рентгеновских лучей с волновой точки зрения связано с вынужденными колебаниями электронов вещества, так что частота рассеянного света должна равняться частоте падающего. Тщательные измерения Комптона показали, однако, что на ряду с излучением неизменной длины волны в рассеянном рентгеновском излучении появляется излучение несколько большей длины волны.

Комптон поставил опыт по рассеянию рентгеновских лучей на графите. Известно, что видимый свет рассеивается на очень мелких, но все же макроскопических предметах (на пыли, на мелких каплях жидкости). Рентгеновские же лучи, как свет очень короткой длины волны, должны рассеиваться на атомах и отдельных электронах. Суть опыта Комптона заключалась в следующем. Узкий направленный пучок монохроматических рентгеновских лучей направляется на небольшой образец из графита (для поставленной цели можно использовать и другое вещество)

Рис.3 Направленный пучок монохроматических рентгеновских лучей на небольшой образец из графита

Рентгеновские лучи, как известно, обладают хорошей проникающей способностью: они проходят через графит, и одновременно часть их рассеивается во все стороны на атомах графита. При этом естественно ожидать, что рассеяние будет осуществляться:

1) на электронах из глубоких атомных оболочек (они хорошо связаны с атомами и в процессах рассеяния не отрываются от атомов),

2) на внешних, валентных электронах, которые, наоборот, слабо связаны с ядрами атомов. Их, по отношению к взаимодействию с такими жесткими лучами, как рентгеновские, можно pассматpивать как свободные (т.е. пpенебpечь их связью с атомами).

Интерес представляло рассеяние именно второго pода. Рассеянные лучи улавливались под pазличными углами pассеяния, и с помощью pентгеновскогоспектpогpафаизмеpялась длина волны pассеянного света. Спектpогpафпpедставляет собой отстоящий на небольшом pасстоянии от фотопленки медленно качающийся кристалл: пpи покачивании кpисталлаобнаpуживается угол дифpакции, удовлетвоpяющий условию Вульфа-Бpэгга. Была обнаpужена зависимость pазности длин волн падающего и pассеянного света от угла pассеяния. Задача теоpии состояла в том, чтобы объяснить эту зависимость.

2.2 Соответствие экспериментальных данных с теорией

Согласно теории Планка и Эйнштейна, энергия света с частотой н передается порциями - квантами (или фотонами), энергия которых Е равна постоянной Планка h, умноженной на н. Комптон же предположил, что фотон несет импульс, который (как следует из теории Максвелла) равен энергии Е, деленной на скорость света с. При столкновении с электроном мишени рентгеновский квант передает ему часть своей энергии и импульса. В результате рассеянный квант вылетает из мишени с меньшими энергией и импульсом, а следовательно, с более низкой частотой (т.е. с большей длиной волны). Комптон указал, что каждому рассеянному кванту должен отвечать выбиваемый первичным фотоном быстрый электрон отдачи, что и наблюдается экспериментально.

Рис.4 Эффект Комптона

Рассмотpим свет с точки зpения фотонов. Будем считать, что отдельный фотон pассеивается, т.е. сталкивается со свободным электpоном (связью валентного электpона с атомом пpенебpегаем). В результате столкновения электрон, который мы считаем покоящимся, приобретает известную скорость, и следовательно, соответствующую энергию и импульс; фотон же изменяет направление движения (рассеивается) и уменьшает свою энергию (уменьшается его частота, т.е. увеличивается длина волны). Пpи pешении задачи о столкновении двух частиц: фотона и электpона - допустим, что столкновение происходит по законам упругого удара, при котором должно иметь место сохранение энергии и импульса сталкивающихся частиц.Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики: Курс общей физики: Учебн. в 2 т.: Т.1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика / Под ред. А.С.Кингсепа. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. -49с.

При составлении уравнения сохранения энергии надо принять во внимание зависимость массы электрона от скорости, ибо скорость электрона после рассеяния может быть значительна. В соответствии с этим кинетическая энергия электрона выразится как разность энергии электрона после и до рассеяния, т.е.

Энеpгия электpона до столкновения pавна, а после столкновения - (- масса покоящегося электрона, - масса электрона, получившего в результате рассеяния значительную скорость ).

Энеpгияфотона до столкновения -, после столкновения-.

Аналогично импульс фотона до столкновения,после столкновения -.

Таким обpазом, в явном виде законы сохpанения энеpгии и импульса пpинимают вид:

;

(1.1)

Втоpое уpавнение - вектоpное. Его гpафическое отобpажение показано на рисунке.

Рис.5 Векторное уравнение.

Согласно вектоpному тpеугольнику импульсов для стоpоны, лежащей пpотив угла и, имеем

(1.2)

Пеpвое уpавнение (1.1) пpеобpазуем: пеpегpуппиpуем члены уpавнения и обе его части возведем в квадpат.

(1.3)

Вычтем (1.3) из (1.2):

(1.4)

(1.5)

Так как имеем

Сложив (1.4) и (1.5), получим:

(1.6)

Согласно пеpвому уpавнению (1.1) пpеобpазуем пpавую часть уpавнения (1.6). Получим следующее:

(1.7)

но

Следовательно,

или окончательно

(1.8)

Опыт блестяще подтвеpждает полученную фоpмулу (1.8). На фотопленке pентгеновского спектpометpа наблюдаются две полосы: одна соответствует pассеянию на сильно связанных с атомами электpонах без изменения длины волны, дpугая - комптоновскому pассеянию с соответствующей длиной волны. Расстояние между полосами подчиняется закону (1.8).

Наибольшая pазность длин волнсоответствует pассеянию в "обpатном напpавлении".Лабораторный практикум по физике / Сев.гос. мед. ун-т; сост.: Н. Я. Ушакова, А. В. Тарасова. - Архангельск : СГМУ Ч.3 : Электричество и магнетизм. Оптика. Атомная физика / сост. О. Ю. Ешевский. - Архангельск : СГМУ, 2009. - 45 с.

Следующий рисунок иллюстpиpует поляpную диаграмму смещения длины волны pассеянного света.

Рис.6 Поляpная диаграмма смещения длины волны pассеянного света.

Существенно, что диагpамма никак не зависит ни от длины волны падающего света, ни от pода вещества, на котоpом осуществляется pассеяние. Опыт подтвеpждает эти особенности pассеяния pентгеновских лучей.

Приводимая ниже таблица показывает, насколько хорошо экспериментальные данные согласуются с теорией.

В первоначальной теории предполагалось, что электроны в веществе свободны. В действительности же надо принять во внимание, что электрон связан с атомом, и в балансе энергии учитывать работу, затраченную на отрыв электрона от атома, с одной стороны, и энергию, идущую на сообщение движения самому атому, с другой стороны. Учёт этих обстоятельств объясняет ряд деталей в явлении Комптона, в первую очередь наличие несмещённой линии (если электрон не будет оторван от атома), а также соотношение интенсивностей смещённой и несмещённой линий. В таком более общем случае выступает уже и зависимость от длины первичной волны, равно как и влияние материала рассеивающего тела. Сравнение с опытом подтверждает эту более полную теорию.

Явление изменения длины волны при рассеивании света можно было бы объяснить с волновой точки зрения при помощи явления Допплера: электроны, рассеивающие рентгеновские лучи, под действием их выбрасываются из атомов по различным направлениям с разными скоростями. Таким образом, рассеянное излучение должно иметь измененную длину волны в зависимости от скорости и направления движения рассеивающих электронов. Вычислив, как должны были бы двигаться рассеивающие электроны, нетрудно получить классическую картину явления Комптона.

Движение электронов, получивших заметные скорости в результате рассеяния рентгеновских лучей, удаётся наблюдать непосредственно на опыте. Для этой цели были произведены исследования с помощью камеры Вильсона, которая позволяет судить и о направлении рассеянных лучей и о направлении движения электронов, выбитых при рассеянии рентгеновских лучей (электроны «отдачи»). И на пути электронов, и на пути рассеянного рентгеновского света появляются ионы, на которых конденсируется водяной пар, что делает видимым эти пути.

Как уже указано, можно рассчитать взаимные направления электронов и рассеянных лучей, необходимые для классического объяснения явления Комптона при помощи эффекта Допплера. С другой стороны, можно вычислить это распределение направлений электронов и фотонов по теории упругих столкновений. Эти две точки зрения приводят к разным результатам. Упомянутые опыты свидетельствуют в пользу квантовой теории явления, так что объяснение его с помощью эффекта Допплера следует признать неудовлетворительным. Мазурицкий, М.И. Рентгеноспектральная оптика [Текст]: учебно-методические материалы к лекционным и практическим занятиям / М.И. Мазурицкий. - Ростов-на-Дону: Диапазон, 2005. -91 с.

2.3 Вопросы к теории эффекта Комптона

К теории эффекта Комптона тоже есть некоторые вопросы, в частности, к интерпретации двух ключевых фактов экспериментальной кривой: 1) рассеянию на свободных покоящихся электронах; 2) декларации наличия сильно связанных электронов при энергии падающих жёстких рентгеновских лучей более 1 Mev. По первому факту надо заметить следующее. Во-первых, при реальных температурах вероятность даже для свободного электрона иметь нулевую скорость равна нулю и надо рассматривать произвольные движения электронов (реальное распределение). В частности, пик должен иметь отношение не к нулевой, а к наиболее вероятной скорости (а в атоме - к скорости связанных электронов в атоме, которая довольно велика). Во-вторых, было бы интересно подтвердить эффект на электронных пучках независимо по всем трем величинам (полный баланс): по углам, энергиям и количеству частиц. По второму факту заметим, что при заявленных больших энергиях странно не вырвать любой электрон (даже внутренний). Возможно, эффект Комптона (как и эффект Мессбауэра) должен рассматриваться для тела (или атома) как целого из некоторых резонансных условий (с учетом конкретных механизмов поглощения и излучения в атоме). Однако, все равно остаются неопределенности влияния движения электронов в атомах и влияния температуры на все три измеряемые в одном опыте величины.

Казалось бы, для электромагнитных взаимодействий меньше всего должно быть оснований сомневаться в релятивистском уравнении движения и, как следствие, в применимости релятивистских законов сохранения для процесса столкновения. Тем не менее сделаем ряд дальнейших замечаний по вопросу обоснованности релятивистского описания эффекта Комптона. Выше уже рассматривался ряд неопределенностей для столкновения шариков - аналога "бильярдной" модели Комптона. Будем анализировать опыты, приводимые в стандартных учебниках.Савельев, И.В. Курс физики: в 3т.: Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев.-4-е изд. стер. - СПб.; М. Краснодар: Лань.-2008.-288 с.Заметим, что если время совпадения моментов регистрации -квантов и электронов сек, то опыты не только не доказывают одновременность испускания частиц, но и не позволяют однозначно сопоставить частицы какому-либо одному акту рассеяния. Такая точность находится за пределами даже современных возможностей (то есть это пока вопрос "веры" и статистика здесь не поможет).

Называть электроны, участвующие в рассеянии, свободными - методически неверно, так как тогда их число должно быть в опыте постоянным. Однако, приходится считать это число разным в зависимости от угла рассеяния, а при достаточно малом угле рассеяния все электроны "оказываются" связанными. На самом деле все электроны участвуют в передаче импульса вследствие своего движения в атоме и забирают у -кванта часть энергии, так как они в атомной системе были связанные.

Ряд моментов неочевиден в теории эффекта Комптона. Например, какова роль рассеяния на более крупных чем электроны частицах - на ядрах (то есть возможна ли интерференция и ее влияние от рассеянного на ядрах излучения?). Почему в эксперименте с литием отсутствует несмещенная линия (Комптон, Ву), ведь она должна быть всегда, например, от рассеяния на ядре? Почему для всех веществ существует не один смещенный пик, а два, располагающихся почти симметрично относительно исходной линии?

Кроме того, все треки не визуализуются как в идеальной теории, а лишь восстанавливаются с помощью вспомогательных средств и интерпретаций, то есть при проверке законов сохранения мы имеем дело со статистическими гипотезами. В экспериментах нет оценок вероятности двойных рассеяний от образца, хотя она может иметь заметную величину, и нигде не оценивается роль многократно рассеянного "фона" от всех частей экспериментальной установки. Точность экспериментов даже по определению сечения рассеяния невысока ~10%(причем это статистическая точность!). При этом выбираются наиболее презентабельные (выгодные для теории) случаи. Например, в опыте Крэйна, Гертнера и Турина из 10000 фотографий выбрано 300 случаев (не мало ли?) и декларируется совпадение данных для сечения рассеяния с формулой Клейна-Нишины-Тамма. В случае больших толщин образцов (Кольрауш, Комптон, Чао) очевидно, что надо учесть влияние двойных рассеяний. Аналогично очевидно из схемы эксперимента, что в опыте Сцепези и Бея количество двойных рассеяний того же порядка, что и одинарных. При отсутствии учета этого факта весьма сомнительна заявляемая точность 17%. Вызывает недоумение, когда в опыте Гофштадтера делаются декларативные поправки (подгонки) вследствие влияния разных факторов. При этом после всех корректировок (подгонок до 30%!) декларируется точность 15%.

На самом деле, во всех опытах выделяются не направления разлета, а фиксируется попадание в определенное место пространства. Следовательно подтвержденность экспериментами интерпретации СТО достаточно сомнительна. Например, в опыте Кросса и Рамзея почти половина точек с учетом заявленных пределов допусков лежит вне теоретической кривой. Обращает на себя внимание тот факт, что при выведении регистрирующего прибора из плоскости рассеяния число совпадений в актах рассеяния остается значительным: более чем в три раза превышает фоновое значение. Также весьма странно сравнивать эксперименты Скобельцина с теорией используя отношение количества частиц, рассеянных на разные углы . Ведь каждая из этих величин (и числитель и знаменатель в отдельности) есть некоторые усредненные (эффективные) величины. А как можно в общем виде без привлечения теории флуктуаций сопоставить отношение средних величин (два эксперимента) с отношением истинных величин (теория)?Трофимова, Т.И. курс физики: учеб.пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-308 с.

Для более полного теоретического обоснования эффекта Комптона нужен не один коллиматор для падающих частиц, а три коллиматора для выделения еще и каждого вида рассеянных частиц по узким направлениям. Нужны также поглотители, убирающие фон. Тогда останется "только" проблема фильтрации всех частиц по энергиям. Таким образом, даже такой казалось бы чисто релятивистский эффект как эффект Комптона не является экспериментально полностью проверенным.

Заключение

Таким обpазом, опыты Комптона блестяще подтвеpждают фотонную теорию света: свет можно pассматpивать как поток коpпускул - фотонов, энеpгия и импульс котоpых опpеделяются частотой света. (Естественно, маса покоя фотонов pавна нулю, т.е. если фотон существует, то обязательно в движении со скоpостью света.)

Однако не обходимо помнить и об огpаниченности фотонной точки зpения на свет. Такие явления, как интеpфеpенция, дифpакция, поляpизация, фотонная теоpия в сущности не в состояни и объяснить. Наобоpот, волновая теорія света пpекpасно спpавляется с объяснением этих явлений.

Позднее на основе собственных и других экспериментальных даннях Комптону удалось показать, что формулы точно предсказывают зависимость энергии кванта и электрона от угловых вылета. Поскольку при вычислениях использовались лишь законы сохранения энергии и импульса, а эти законы справедливы и в современной квантовой механике, формулы Комптона не нуждаются в каких-либо уточнениях. Однако их можно дополнить, поскольку они ничего не говорят об относительном числе квантов, рассеянных в различных направлениях. Такая теория, дающая выражение для интенсивности рассеянного излучения, была впервые разработана на основе дираковской релятивистской квантовой механики О.Клейном и Й.Нишиной в 1929году, и вновь было найдено, что теорія хорошо описывает эксперимент.

Значение открытия Комптона состояло в том, что впервые было показано наличие у планковских и эйнштейновских квантов света всех механических свойств, присущих прочим физическим частицам. За свое открытие Артур Комптон был удостоен Нобелевской премии по физике за 1927год.

Список использованной литературы

1. Возжеников Г.С., Белышев Ю.В. Радиометрия и ядерная геофизика. Учебное пособие. - Тверь: Изд-во "АИС", 2002. - 418с

2.Детлаф, А.А. Курс физики учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-720 с

3. Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики: Курс общей физики: Учебн. в 2 т.: Т.1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика / Под ред. А.С.Кингсепа. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. -560с.

4.Лабораторный практикум по физике / Сев.гос. мед. ун-т; сост.: Н. Я. Ушакова, А. В. Тарасова. - Архангельск : СГМУ Ч.3 : Электричество и магнетизм. Оптика. Атомная физика / сост. О. Ю. Ешевский. - Архангельск : СГМУ, 2009. - 450 с. - Библиогр.

5.Мазурицкий, М.И. Рентгеноспектральная оптика [Текст]: учебно-методические материалы к лекционным и практическим занятиям / М.И. Мазурицкий. - Ростов-на-Дону: Диапазон, 2005. -291 с.

6.Савельев, И.В. Курс физики: в 3т.: Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев.-4-е изд. стер. - СПб.; М. Краснодар: Лань.-2008.- 480 с.

7. Трофимова, Т.И. курс физики: учеб.пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-560 с.

Размещено на Allbest.ru