Ефектът на Комптън: ключов елемент на квантовата механика

Ефектът на Комптън е един от крайъгълните камъни на квантовата механика. През 1922 г. физикът Артър Холи Комптън обяснява увеличаването на дължината на вълната на рентгеновите лъчи и други емисии на електромагнитна енергия, разглеждайки ги като набор от дискретни импулси или кванти на електромагнитна енергия.

Комптонов ефект

Химикът Гилбърт Люис (САЩ) въвежда термина "фотон" за квантите на светлината. Фотоните имат собствена енергия и импулси. Те също имат вълнови характеристики като дължина на вълната и честота. Фотонна енергия е в пряка пропорция с честотата и в обратна на нейната дължина. Ефектът на Комптън включва бутане на фотони в единични електрони. По време на този процес, техните енергии са свързани и под определен ъгъл се разпространява вълната, чийто размер зависи от първоначалното количество данни. Поради връзката между енергия и дължина на вълната, разпръснатите фотони имат по-голяма дължина, която също зависи от ъгъла, под който Рентгенови лъчи бяха изпратени.

Комптонов разсейване

Нееластичното разсейване на фотон върху свободно заредена частица завършва с отслабване на енергията, докато дължина на вълната увеличава размера на фотона. Част от тази енергия се напръсква на близките електрони. Има и обратен процес. Комптоновото разсейване е нееластично, тъй като дължината на вълната на светлината, която е била разпръсната, е различна от падащата радиация. Какво предложи Комптън? Ефектът в този случай може да се счита за еластичен натиск. Движението на електроните в атомите води до увеличаване на ширината на комптоновата лента на разсеяната светлина. Това може да се обясни с факта, че за електроните в движение дължината на падащата радиационна вълна изглежда леко трансформирана, а величината на промените е пряко зависима от размера и посоката на скоростта на електрона.

В чест на когото ефектът е получил името си

Ефектът на Комптън получил името си от името на Артър Холи Комптън (1892–1962), професор в университета във Вашингтон, американски физик, който спечели Нобеловата награда през 1927 г. за откритието си. Завършил Университета в Уорчестър и Принстънския университет, той разработва теория за интензивността на отражението на рентгеновите лъчи от кристалите като средство за изучаване на разположението на електроните и атомите. През 1918 г. започва обучението си. През 1919 г. Комптън бе сред първите, които бяха наградени с Националния съвет за научни изследвания. Той е приет за стаж в Лабораторията Кавендиш в Кеймбридж (Англия) и след това в Университета на Вашингтон. Работейки с рентгенови лъчи, той подобри своя апарат за измерване на изместването на дължината на вълната от ъгъла на разсейване.

Фотон-електронно взаимодействие

Един от най-важните понятия в изучаването на комптоновото разсейване е фотон, който, според теорията на светлината, е квант на електромагнитната енергия и те винаги са в движение и дори във вакуум има постоянна скорост на разпространение на светлината. Ефектът на Комптън е важен, защото показва, че светлината не трябва да се разглежда само като вълново явление. През 1923 г. Комптън представя статия на науката, в която извлича математическа връзка между изместването на дължината на вълната и ъгъла на разсейване на рентгеновите лъчи, което предполага, че всеки свободен рентгенов фотон ще започне да взаимодейства с една заредена частица. Това води до факта, че на електрона е дадена част от енергията, а фотонът, съдържащ останалата част от енергията, го излъчва в посока, различна от първоначалната, докато общият импулс на системата се запазва. Този ефект е една от трите основни форми на фотонно взаимодействие и основната причина за разпръснатата радиация в материала. Това се дължи на взаимодействието на рентгеновия или гама фотон с екстремните (и в резултат на това слабо свързани) валентните електрони на атомното ниво.

Фотонът по отношение на квантовата теория

През 1800 г. характеристиките на вълновата светлина и електромагнитното излъчване като цяло станаха абсолютно очевидни. Въпреки това, преди учените не придават голямо значение на тези явления. Това беше така, докато Алберт Айнщайн не обясни фотоелектричния ефект и накара всички да разберат, че светлинната енергия трябва да се разглежда като част от квантована теория. Както бе споменато по-горе, светлината има вълни и частици. Това беше изумително откритие и със сигурност отвъд обикновеното възприемане на нещата. Тъй като енергията и величината на импулса са пропорционални на неговата честота, след взаимодействието фотонът има по-ниска честота и дължината на вълната се увеличава. Този индикатор зависи само от ъгъла, който се образува между инцидента и разпръснатите лъчи. Най-големият ъгъл на разсейване ще позволи по-голямо увеличение. Ефектът се използва при изследването на електроните в веществото и при производството на променливи енергийни гама лъчи. Формулата на Комптън за изместване на Δλ е дължината на вълната на светлината: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 cos θ), където λ' е дължината на вълната на разсеяната светлина, θ е ъгълът на разсейване на фотона, и λ0 = 2.426 × 1010 cm = 0.024 Angstrom (А). От формулата се вижда, че изместването на дължината на вълната не зависи от дължината на падащата радиационна вълна. Той се определя единствено от ъгъла на разсейване на фотона и е най-голям при ъгъл от 180 °.

Основни свойства на фотоните

1. Движение в свободно пространство с постоянна скорост.
2. Фотоните нямат маса.
3. Те носят енергия и инерция, които също са свързани с честотата и дължината на вълната.
4. Те могат да бъдат унищожени чрез поглъщане на радиация.
5. Фотоните са неутрални по електронен път и са сред най-редките частици.

Стойността на ефекта в различни области на науката

Комптоновото разсейване, често наричано некохерентно разсейване, е важно в атомната енергия (радиационна защита), експерименталната и теоретичната ядрена физика, физиката на плазмата и атомите, рентгеновата кристалография, физиката на частиците и астрофизиката. Ефектът на Комптън осигурява важен инструмент за изследване в някои области на медицината, в молекулярната химия и физиката на твърдото тяло, както и в използването на високоенергийни електронни ускорители. Това откритие е от първостепенно значение за радиобиологията, защото е най-подходящо за взаимодействието на високоенергийните рентгенови лъчи с атомните ядра в живите организми и се използва в лъчетерапия. При физичните материали този ефект може да се използва за изследване на вълновата функция на електроните в дадено вещество. Комптън също открива феномена на пълно отражение на рентгеновите лъчи и тяхната пълна поляризация, което води до по-точно определяне на броя на електроните в атома. Той също така е първият, който получава рентгенови спектри чрез директен метод за измерване на рентгеновата дължина на вълната. Чрез сравняване на тези спектри с данните, получени с помощта на кристал, абсолютните стойности на разстоянието между атомите в кристална решетка. Комптън задържа поста американски президент физическото общество през 1934 година. Бил е канцлер на Университета на Вашингтон от 1946 до 1953 година. Великият физик умира през 1962 г. на 69-годишна възраст.

Невероятно откритие

Въз основа на квантовите идеи за природата на светлината, ефектът на Комптън илюстрира едно от най-фундаменталните взаимодействия между радиацията и материята и в много визуална форма показва истинската квантова природа на електромагнитното излъчване. Може би най-голямата стойност на този ефект е, че той демонстрира директно и ясно, че освен вълновата природа с нейните напречни осцилации, електромагнитното излъчване също съдържа частици от природата - фотони, които се държат като материални вещества в сблъсъци с електрони. Това откритие доведе до развитието на квантовата механика и послужи като основа за началото на теорията на квантовата електродинамика, теорията за взаимодействието на електроните с електромагнитно поле.