В реальных опытах по рассеянию фотонов веществом электроны не свободны, а связаны в атомах. Если фотоны обладают большой энергией по сравнению с энергией связи электронов в атоме (фотоны рентгеновского и g-излучения), то электроны испытывают настолько сильную отдачу, что оказываются выбитыми из атома. В этом случае рассеивание фотонов происходит как на свободных электронах. Если же энергия фотона недостаточна для того, чтобы вырвать электрон из атома, то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома очень велика (по сравнению с эквивалентной массой фотона, равной, согласно относительности теории , Eg /с2 ), то отдача практически отсутствует; поэтому рассеяние фотона произойдет без изменения его энергии, то есть без изменения длины волны (как говорят когерентно). В тяжелых атомах слабо связаны лишь периферические электроны (в отличие от электронов, заполняющие внутренние оболочки атома) и поэтому в спектре рассеянного излучения присутствует как смещенная, комптоновская линия от рассеяния на периферических электронах, так и не смещенная, когерентная линия от рассеяния на атоме в целом. С увеличением атомного номера элемента (то есть заряда ядра) энергия связи электронов увеличивается, и относительная интенсивность комптоновской линии падает, а когерентной линии — растет.
Движение электронов в атомах приводит к уширению комптоновской линии рассеянного излучения. Это объясняется тем, что для движущихся электронов длина волны падающего света кажется несколько измененной, причем величина изменения зависит от величины и направления скорости движения электрона (см. Доплера эффект ). Тщательные измерения распределения интенсивности внутри комптоновской линии, отражающего распределение электронов рассеивающего вещества по скоростям, подтвердили правильность квантовой теории, согласно которой электроны подчиняются Ферми — Дирака статистике .
Рассмотренная упрощённая теория К. э. не позволяет вычислить все характеристики комптоновского рассеяния, в частности интенсивность рассеяния фотонов под разными углами. Полную теорию К. э. даёт квантовая электродинамика . Интенсивность комптоновского рассеяния зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего излучения. В угловом распределении рассеянных фотонов наблюдается асимметрия: больше фотонов рассеивается по направлению вперёд, причём эта асимметрия увеличивается с энергией падающих фотонов. Полная интенсивность комптоновского рассеяния уменьшается с ростом энергии первичных фотонов; это означает, что вероятность комптоновского рассеяния фотона, пролетающего через вещество, убывает с его энергией. Такая зависимость интенсивности от Eg определяет место К. э. среди других эффектов взаимодействия излучения с веществом, ответственных за потери энергии фотонами при их пролёте через вещество. Например, в свинце (в статье Гамма-излучение ) К. э. даёт главный вклад в энергетические потери фотонов при энергиях порядка 1—10 Мэв (в более лёгком элементе — алюминии — этот диапазон составляет 0,1—30 Мэв ); ниже этой области с ним успешно конкурирует фотоэффект , а выше — рождение пар (см. Аннигиляция и рождение пар ).
Комптоновское рассеяние широко используется в исследованиях g-излучения ядер, а также лежит в основе принципа действия некоторых гамма-спектрометров .
К. э. возможен не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например на протонах, но из-за большой массы протона отдача его заметна лишь при рассеянии фотонов очень высокой энергии.
Двойной К. э. — образование двух рассеянных фотонов вместо одного первичного при его рассеянии на свободном электроне. Существование такого процесса следует из квантовой электродинамики; впервые он наблюдался в 1952. Его вероятность примерно в 100 раз меньше вероятности обычного К. э.
Обратный комптон-эффект. Если электроны, на которых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими (то есть движутся со скоростями, близкими к скорости света), то при упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, то есть энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счет энергии (и импульса) электронов. Это явление называют обратным К. э. Обратный К. э. часто привлекают для объяснения механизма излучения космических рентгеновских источников, образования рентгеновской компоненты фонового галактического излучения, трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.
Лит.: Борн М., Атомная физика, пер. с англ.. 3 изд., М., 1970; Гайтлер В., Квантовая теория излучения, [пер. с англ.], М., 1956.
В. П. Павлов.
Рис. 3. График зависимости полной интенсивности комптоновского рассеяния s от энергии фотона Eg (в единицах полной интенсивности классич. рассеяния); стрелкой указана энергия, при которой начинается рождение электрон-позитронных пар.
Рис. 1. Упругое столкновение фотона и электрона в Комптона эффекте. До столкновения электрон покоился; pn и pn ' — налетающего и рассеянного фотонов, — импульс отдачи (n
— его скорость), рассеяния фотона, J — угол вылета электрона отдачи относительно направления падающего фотона.
Рис. 2. Зависимость энергии рассеянного фотона E 'g от угла рассеяния J (для удобства изображена только верхняя половина симметричной кривой) и энергии электрона отдачи Ee от угла вылета j (нижняя половина кривой). Величины, относящиеся к одному акту рассеяния, помечены одинаковыми цифрами. Векторы, проведённые из точки О, в которой произошло столкновение фотона энергии Eg с покоящимся электроном, до соответствующих точек этих кривых, изображают состояние частиц после рассеяния: величины векторов дают энергию частиц, а углы, которые образуют векторы с направлением падающего фотона, определяют угол рассеяния фотона J и угол вылета электрона отдачи j. (График вычерчен для случая рассеяния «жёстких» рентгеновских лучей с длиной волны hc/Eg = l =0,024.
Комптоновская длина волны
Ко'мптоновская длина' волны', величина размерности длины, характерная для релятивистских квантовых процессов; выражается через массу частицы т и универсальные постоянные h и с (h — Планка постоянная , с — скорость света): l = h/mc. Название К. д. в. связано с тем, что величина l определяет изменение длины волны Dl электромагнитного излучения при комптоновском рассеянии (рассеянии на свободных электронах; см. Комптона эффект ). Чаще К. д. в. называют величину
(где
=h/2 p)
. Для электрона
= 3.86151·10
-11см, для протона
= 2,10308·10
-14см. К. д. в. определяет масштаб пространственных неоднородностей полей, при которых становятся существенными квантовые релятивистские процессы. Действительно, если рассматривается некоторое волновое поле, например электромагнитное, длина волны которого l меньше К. д. в. электрона l , то энергия квантов этого поля E = hu (где u = c/l — частота) оказывается большей энергии покоя электрона mc2 (E > hc/ l = mс2 ) и, следовательно, в этом поле становится возможным и происходит рождение электрон-позитронных пар (см. Аннигиляция и рождение пар ). Такие процессы порождения частиц описываются релятивистской квантовой теорией.
