Навигация
3.2. ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Формирование представлений о фотоне, начатое при изучении: фотоэффекта, продолжают при изучении последующих вопросов курса - эффекта Комптона, давления света, химического действия света.
Особенно важное значение для доказательства квантовых свойств света имеет впервые введенное в программу физики общеобразовательной средней школы понятие об эффекте Комптона. До этого данное явление, являющееся решающим подтверждением наличия у фотона импульса, изучалось только на факультативном курсе и в классах с углубленным изучением физики.
Комптоновский эффект заключается в изменении частоты излучения при рассеянии рентгеновских лучей "легкими" веществами (графит, парафин и др.). Особенность этих веществ - относительно слабая связь внешних электронов в атоме с ядрами. Это явление было обнаружено в 1923 г. и подробно исследовано американским физиком А. Комптоном, который установил, что разность частот (длин волн) первичного (падающего) и рассеянного излучения зависит только от угла рассеяния.
Интересно отметить, что именно А. Комптон назвал кванты света фотонами. В дальнейшем А. Комптон и независимо П. Дебай теоретически объяснили явления с квантовых позиций, рассматривая рассеяние как результат взаимодействия рентгеновских квантов падающего излучения с практически свободными электронами вещества, применяя к этому процессу законы сохранения энергии и импульса. Полученная зависимость:
,
где m0 – масса частицы, на которой происходит рассеяние, прекрасно согласовывалась с экспериментальными данными.
Формулу для изменения длины волны комптоновского рассеяния в школьном курсе не дают, но подходы к ее выводу на основании рассмотрения законов сохранения (энергии и импульса) для системы электрон - фотон можно привести.
Порядок рассуждений может быть примерно следующим.
Объяснить наблюдаемое различие частот первичного и рассеянного излучений с волновых позиций не представляется возможным. Действительно, механизм рассеяния рентгеновского излучения согласно волновой теории света можно объяснить только за счет возникновения вторичных электромагнитных волн в результате вынужденных колебаний ("раскачивания") электронов в атомах вещества под действием электрического поля первичной волны. При этом частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой первичного излучения.
Если считать поток рентгеновских лучей состоящим из отдельных фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с другими частицами, то следует допустить возможность обмена с ними энергией и импульсом.
Рентгеновский фотон с частотой ν обладает энергией 
, массой 
, импульсом 
. Энергия электрона до столкновения m0 c2 (где m0 – масса покоя электрона, так как электрон до столкновения считают неподвижным в данной системе отсчета).
При столкновении фотона с электроном происходит передача энергии и импульса фотона этому электрону. Электрон приобретает кинетическую энергию. Энергия испущенного в результате столкновения фотона меньше начальной, что приводит к уменьшению его частоты.
При элементарном акте рассеяния должен выполняться закон сохранения энергии и закон сохранения импульса (для системы фотон - электрон, которую можно считать изолированной):
;
,
где m0 c2 – полная энергия неподвижного электрона, mc2 – полная энергия электрона после столкновения с фотоном, 
– энергия первичного фотона, 
– энергия фотона после столкновения с электроном (рассеянного фотона), 
и 
- импульсы первичного и рассеянного фотонов; 
- импульс электрона после столкновения с фотоном (
, 
, 
).
Совместное решение этих уравнений, выполненное на основе представлений о фотоне как частице, способной испытывать столкновения с электроном по законам релятивистской механики, т. е. с учетом того, что электрон после столкновения приобретает скорость, близкую к скорости света, и его массу рассчитывают по формуле:
,
дает результат, совпадающий с данными эксперимента (с эмпирической формулой Комптона).
Как показывают опыты, каждому фотону, испытывающему рассеяние на угол φ, сопутствует появление электрона, движущегося именно с такой скоростью υ и под таким углом к направлению первичного пучка фотонов, который получается при решении соответствующих уравнений.
Похожие работы
... прогрессивные тенденции, наметившиеся в системе образования. Место учебного предмета "Физика" в федеральном базисном учебном плане. Федеральный компонент базисного учебного плана предусматривает изучение физики в 7-9 классах основной школы по 2 часа в неделю. На старшей ступени обучения вводится два уровня изучения физики: базовый и профильный. На базовом уровне на изучение физики выделяется 2 ...
... программного комплекса ведется на основании задания на дипломную работу, утвержденное приказом ректора Донбасской машиностроительной академии по ГОСТ 19.101-77. Тема дипломной работы – «Программно – методический комплекс для мультимедийного представления учебной информации». Спецчасть разработки – «Разработка программного обеспечения для интерфейса оболочки комплекса и примера информационного ...
... должно быть кратким, свободным, учащиеся включаются в дискуссию по обсуждению проектов. Как правило, на данном этапе следует обратить внимание на перспективы работы над данным проектом. ГЛАВА 2 ЭЛЕКТИВНЫЙ КУРС ПО ФИЗИКЕ «АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА» Пояснительная записка Образовательная область: физика Возрастная группа: 9 класс Вид элективного курса: предпрофильный. Тип ...
... с учеником, в ходе которого обучаемый получает дополнительные сведения и глубже усваивает материал. Можно использовать как итоговый по темам, определяя уровень учащегося по усвоению основных естественнонаучных умений и овладению навыкам решения физических задач разного уровня сложности. Можно сконцентрировать внимание на умении решать разного уровня сложности-ступени задачи, включая задачи из ...
0 комментариев