I. Теоретическое введение. Цель работы:Экспериментальное подтверждение закономерностей эффекта Комптона, определение комптоновской длины волны электрона.

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА КОМПТОНА

Цель работы:Экспериментальное подтверждение закономерностей эффекта Комптона, определение комптоновской длины волны электрона.

I. Теоретическое введение

При изучении света, его можно представить в виде трёх моделей:

· луч – линия распространения света (эту модель чаще всего используют в геометрической оптике),

· электромагнитная волна – процесс распространения в пространстве электрических и магнитных колебаний (на эту модель опирается волновая оптика),

· поток частиц – фотонов (используется в квантовой оптике и для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества).

Очевидно, что характеристики всех моделей связаны друг с другом. Так, энергию и импульс фотона можно определить по формулам:

(1)

(2)

В формулах (1) и (2) объединены как характеристики частицы (масса m, импульс p, энергия ɛ), так и характеристики волны (частота ν, длина волны λ, волновое число ).

Волновые свойства света проявляются в таких явлениях как интерференция, дифракция, дисперсия и поляризация. Как частица свет ведет себя при тепловом излучении, фотоэффекте, эффекте Комптона.

Эффектом Комптона называется упругое взаимодействие света с веществом. Оно наблюдается при облучении вещества монохроматическим рентгеновским излучением. При этом длина волны рассеянного излучения оказывается больше, чем падающего.

Рентгеновским называется электромагнитное излучение с длиной волны от 10^–8 до 10^–12 м, т.е. это поток фотонов с энергией от 100 эВ до 10⁶ эВ.

Увеличение длины волны рассеянного излучения происходит из-за того, что рентгеновский фотон, попадая в вещество, испытывает абсолютно упругий удар со свободным электроном вещества, при этом он отдает ему часть своей энергии и импульса. В результате электрон начинает двигаться, фотон изменяет направление своего движения (рассеивается на угол J), энергия фотона уменьшается, а длина волны, наоборот, увеличивается (в силу их обратной зависимости).

Рассмотрим процесс столкновения падающего рентгеновского фотона с покоящимся электроном вещества. Энергия электрона до столкновения равна его энергии покоя mc², где m – масса покоя электрона. Импульс электрона равен 0.

После столкновения электрон будет обладать импульсом и энергией, равной . Энергия фотона станет равной w′ , а импульс ′.

Из закона сохранения импульса и энергии вытекают два равенства:

w + mc² = w′ + (3)

= + ′. (4)

Из (3) и (4) получается формула Комптона, которая показывает, как изменяется длина волны фотона в результате столкновения с электроном:

Dl = l′ – l = l_C (1 – cosJ), (5)

где l_C = называется комптоновская длина волны. Для электрона l_C = 2,43 10^–12 м.