Kompton ta'siri

KOMPTON TA'SIRI, materiyaning yupqa qatlamida rentgen nurlarining tarqalishi bilan birga keladigan to'lqin uzunligining o'zgarishi. Hodisa A.Komptonning ishidan bir necha yil oldin ma'lum bo'lib, u 1923 yilda bu ta'sirning mavjudligini tasdiqlovchi sinchkovlik bilan o'tkazilgan tajribalar natijalarini e'lon qildi va shu bilan birga buning uchun tushuntirishni taklif qildi. (Tez orada P.Debay tomonidan mustaqil tushuntirish berildi, nima uchun bu hodisa ba'zan Kompton-Debay effekti deb ataladi).
O'sha paytda yorug'likning materiya bilan o'zaro ta'sirini tavsiflashning ikkita mutlaqo boshqa usuli mavjud edi, ularning har biri katta miqdordagi eksperimental ma'lumotlar bilan tasdiqlangan. Bir tomondan, Maksvellning (1861) elektromagnit nurlanish nazariyasi yorug'lik elektr va magnit maydonlarning to'lqinli harakati ekanligini ta'kidladi; ikkinchi tomondan, Plank va Eynshteynning kvant nazariyasi ma'lum sharoitlarda moddadan o'tayotgan yorug'lik dastasi u bilan energiya almashishini va almashinish jarayoni zarrachalarning to'qnashuviga o'xshab ketishini isbotladi. Kompton ishining ahamiyati shundaki, u kvant nazariyasining eng muhim tasdig'i edi, chunki Maksvell nazariyasi eksperimental ma'lumotlarni tushuntirishga qodir emasligini ko'rsatib, Kompton kvant gipotezasiga asoslangan oddiy tushuntirishni taklif qildi.
Plank va Eynshteyn nazariyasiga ko'ra, chastotali yorug'lik energiyasi n qismlarda uzatiladi - energiyasi kvantlar (yoki fotonlar). E Plank doimiysiga teng h ga ko'paytiriladi n. Kompton esa foton impulsni (Maksvell nazariyasidan kelib chiqqan holda) energiyaga teng deb ta'kidladi. E yorug'lik tezligiga bo'linadi dan. Maqsadli elektron bilan to'qnashganda, rentgen kvanti unga energiya va impulsning bir qismini o'tkazadi. Natijada, tarqoq kvant nishondan kamroq energiya va impuls bilan, demak, past chastota bilan (ya'ni, uzunroq to'lqin uzunligi bilan) uchib ketadi. Komptonning ta'kidlashicha, har bir tarqalgan kvant birlamchi foton tomonidan urib tushirilgan, eksperimental ravishda kuzatilgan tez qaytariladigan elektronga mos kelishi kerak.
Keyinchalik Kompton tomonidan ishlab chiqilgan nazariya quyidagilarga to'g'ri keldi. Relyativistik mexanika formulalariga ko'ra, tezlik bilan harakatlanuvchi zarrachaning massasi v, ga teng
qayerda m 0 - bir xil zarrachaning tinch holatidagi massasi (da v= 0) va c yorug'lik tezligidir. Zarrachaning umumiy energiyasi quyidagicha ifodalanadi E = mc 2, lekin uning faqat bir qismi kinetik energiyadir, chunki tinch zarracha energiyaga ega m 0 c 2. Shunday qilib, kinetik energiya KE zarralarni bu energiyani jamidan ayirish orqali topish mumkin:
Zarraning impulsi uning massasi va tezligining mahsulotiga teng; Binobarin,
Fotonning elektron bilan to'qnashuvida energiyaning saqlanishi tenglikni talab qiladi
Chunki orqaga qaytish elektronining impulsi
eksa momentum muvozanati AB bu:
va eksa bo'ylab CD, perpendikulyar AB,
qayerda n o - tarqoq kvantning chastotasi. Ushbu uchta tenglamadan o'sish kelib chiqadi lў – l Tarqalgan kvantning to'lqin uzunligi:
Bunda teskari elektronning energiyasi uning ketish burchagiga qarab quyidagilarga teng:
Qiymat h/ m 0 c D uchun formulada l universal konstantani ifodalaydi, u Kompton to'lqin uzunligi deb ataladi va 0,0242 Å ga teng (1 Å 10 -8 sm ga teng). To'lqin uzunligi 10-8 sm yoki undan kam bo'lgan rentgen kvantlari uchun to'lqin uzunligi siljishi juda muhim.
Keyinchalik, Kompton o'zining va boshqa eksperimental ma'lumotlarga asoslanib, formulalar kvant va elektron energiyasining ularning emissiya burchaklariga bog'liqligini aniq bashorat qilishini ko'rsata oldi. Hisob-kitoblarda faqat energiya va impulsning saqlanish qonunlaridan foydalanilgani va bu qonunlar zamonaviy kvant mexanikasida ham o‘rinli bo‘lgani uchun Kompton formulalari hech qanday takomillashtirishga muhtoj emas. Biroq, ularni to'ldirish mumkin, chunki ular turli yo'nalishlarda tarqalgan kvantlarning nisbiy soni haqida hech narsa demaydilar. Tarqalgan nurlanish intensivligini ifodalovchi bunday nazariya birinchi marta 1929 yilda Dirak relyativistik kvant mexanikasi asosida O. Kleyn va Y. Nishina tomonidan ishlab chiqilgan va nazariya tajribani yaxshi tasvirlashi yana bir bor aniqlangan.
Kompton kashfiyotining ahamiyati shundaki, birinchi marta Plank va Eynshteyn yorug'lik kvantlari boshqa fizik zarrachalarga xos bo'lgan barcha mexanik xususiyatlarga ega ekanligi ko'rsatildi. O'zining kashfiyoti uchun A.Kompton 1927 yil uchun fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi.
KOMPTON TA'SIR (Compton scattering), qattiq (qisqa to'lqinli) elektromagnit nurlanishning erkin zaryadlangan zarrachalar tomonidan tarqalishi, tarqalgan nurlanish to'lqin uzunligining o'zgarishi bilan birga keladi. U 1922 yilda A.Kompton tomonidan grafitdagi qattiq rentgen nurlarining tarqalishi jarayonida kashf etilgan, uning nurlanishni tarqatuvchi atom elektronlarini yaxshi aniqlik bilan erkin deb hisoblash mumkin (chunki rentgen nurlarining chastotasi elektronning xarakterli chastotalaridan ancha oshib ketadi). engil atomlardagi harakat). Kompton o'lchovlariga ko'ra, rentgen nurlanishining boshlang'ich to'lqin uzunligi l 0, u th burchak ostida tarqalganda, ortib, teng bo'lib chiqdi.
Bu erda l C barcha moddalar uchun doimiy qiymat bo'lib, elektronning Kompton to'lqin uzunligi deb ataladi. (l S = l/2p = 3,86159268·10 -11 sm qiymati ko'proq qo'llaniladi) Kompton effekti yorug'likning klassik to'lqin nazariyasiga keskin zid keladi, unga ko'ra elektromagnit nurlanishning to'lqin uzunligi erkin tarqalganda o'zgarmasligi kerak. elektronlar. Shuning uchun Kompton effektining kashf etilishi yorug'likning ikki tomonlama tabiatiga ishora qiluvchi eng muhim faktlardan biri bo'ldi (qarang Korpuskulyar-to'lqinli dualizm). Kompton va undan mustaqil ravishda P. Debay tomonidan berilgan effektning tushuntirishi shundan iboratki, energiya E \u003d ћʼn va impuls p \u003d ћk bo'lgan g-kvant elektron bilan to'qnashib, o'z energiyasining bir qismini elektronga o'tkazadi. u, tarqalish burchagiga qarab. (Bu yerda ћ - Plank doimiysi, ō - elektromagnit to'lqinning siklik chastotasi, k - uning to'lqin vektori |k|= ō/s, to'lqin uzunligiga l = 2p|k| munosabati bilan bog'langan.) Qonunlariga ko'ra. energiya va impulsning saqlanishi, tinch holatda elektron tomonidan sochilgan g- kvant energiyasi tengdir.

tarqoq nurlanishning to'lqin uzunligi l' ga to'liq mos keladi. Bunda elektronning Kompton to‘lqin uzunligi fundamental konstantalar bilan ifodalanadi: elektron massasi m e, yorug‘lik tezligi c va Plank doimiysi ћ: l S = ћ/m e c. Kompton effektining bunday talqinining birinchi sifat jihatdan tasdig'i 1923 yilda C.T.R.Vilson tomonidan o'zi ixtiro qilgan kamerada (Uilson kamerasi) rentgen nurlari bilan havo nurlantirilganda orqaga qaytish elektronlarini kuzatishi bo'ldi. Kompton effektining batafsil miqdoriy tadqiqotlari D. V. Skobeltsyn tomonidan olib borildi, u radioaktiv preparat RaC (214 Bi) yuqori energiyali g-kvantlar manbai sifatida va detektor sifatida magnit maydonga joylashtirilgan bulutli kameradan foydalangan. Skobeltsyn ma'lumotlari keyinchalik kvant elektrodinamikasini tekshirish uchun ishlatilgan. Bu tekshirish natijasida shved fizigi O.Klayn, yapon fizigi Y.Nishina va I.E.Tammlar Kompton effektining samarali kesmasining g-kvant energiyasining ortishi bilan (yaʼni kamayishi bilan) kamayishini aniqladilar. elektromagnit nurlanish to'lqin uzunligida) va to'lqin uzunliklari Komptondan sezilarli darajada oshib ketganda, JJ Tomson tomonidan to'lqin asosida ko'rsatilgan s T \u003d (8p / 3) re 2 \u003d 0,6652459 10 -24 sm 2 chegarasiga intiladi. nazariya (re \u003d e 2 / mes 2 - klassik elektron radiusi).
Kompton effekti g-kvantalarning nafaqat elektronlar, balki massasi kattaroq bo'lgan boshqa zarralar tomonidan ham sochilishida kuzatiladi, lekin bu holda samarali kesma bir necha marta kichikroq bo'ladi.
Agar g-kvant tinch holatda emas, balki harakatlanuvchi (ayniqsa relativistik) elektron tomonidan sochilgan bo'lsa, energiya elektrondan g-kvantga o'tkazilishi mumkin. Bu hodisa teskari Kompton effekti deb ataladi.
Kompton effekti fotoelektr effekti va elektron-pozitron juftlarini hosil qilish bilan bir qatorda moddalardagi qattiq elektromagnit nurlanishni yutishning asosiy mexanizmi hisoblanadi. Kompton effektining nisbiy roli elementning atom raqamiga va g nurlarining energiyasiga bog'liq. Masalan, qo'rg'oshinda Kompton effekti 0,5-5 MeV energiya oralig'ida, alyuminiyda - 0,05-15 MeV oralig'ida fotonlarning yo'qolishiga asosiy hissa qo'shadi (rasm). Ushbu energiya diapazonida g nurlarini aniqlash va ularning energiyasini o'lchash uchun Kompton tarqalishidan foydalaniladi.
Kompton effekti astrofizika va kosmologiyada muhim rol o'ynaydi. Masalan, yulduzlarning markaziy mintaqalaridan (termoyadro reaktsiyalari sodir bo'ladigan) fotonlar tomonidan ularning yuzasiga energiya o'tkazish jarayonini, ya'ni, oxir-oqibat, yulduzlarning yorqinligini va ularning evolyutsiya tezligini aniqlaydi. Tarqalish natijasida yuzaga keladigan yorug'lik bosimi yulduzlarning kritik yorqinligini aniqlaydi, shundan boshlab yulduzning qobig'i kengaya boshlaydi.
Ilk kengayib borayotgan koinotda Komptonning tarqalishi bu zarralardan vodorod atomlari hosil bo'lgunga qadar proton va elektronlarning issiq plazmasida materiya va nurlanish o'rtasidagi muvozanat haroratini saqlab turdi. Shu sababli, kosmik mikroto'lqinli fon nurlanishining burchak anizotropiyasi materiyaning birlamchi tebranishlari haqida ma'lumot beradi, bu esa Olamning keng miqyosli tuzilishini shakllantirishga olib keladi. Teskari Kompton effekti fon galaktik nurlanishining rentgen komponenti va ba'zi kosmik manbalarning g-nurlanishi mavjudligini tushuntiradi. Koinot mikrotoʻlqinli fon nurlanishi uzoq galaktikalardagi issiq gaz bulutlari orqali oʻtganda, teskari Kompton effekti tufayli kosmik mikrotoʻlqinli fon nurlanishi spektrida buzilishlar yuzaga keladi va bu koinot haqida muhim maʼlumot beradi (qarang Sunyaev-Zeldovich effekti).
Teskari Kompton effekti lazer nurlanishini tezlashtirilgan ultrarelyativistik elektronlarning to'qnashuv nuriga sochish orqali yuqori energiyali g-kvantalarning kvazimonoxromatik nurlarini olish imkonini beradi. Ba'zi hollarda teskari Kompton effekti yer sharoitida termoyadroviy sintez reaktsiyalarini amalga oshirishga to'sqinlik qiladi.