Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| Гл. XXII. Строение атома
сосуда молекулы газа, передавая ей импульс, оказывают на нее давление (см. том I). Очень важную роль в развитии представлений о фотонах как некоторых элементарных частицах сыграли опыты американско- го физика Артура Комптона (1892–1962), в которых непосред- ственно было показано, что фотоны при соударениях с электро- нами ведут себя, как частицы с энергией и импульсом, связан- ными между собой соотношением (209.3). Исследуя рассеяние рентгеновского излучения в веществе из легких атомов (рис. 371), Комптон в 1923 г. обнаружил, что при этом происходит изменение длины волны рентгеновского излу- чения, и установил связь между изменением длины волны Δλ и углом рассеяния θ: Δλ = 2λ 0 sin 2 θ 2 . (209.4)
Здесь постоянная λ 0 = h/m e c = 2,43
· 10 − 12 м была первоначаль- но определена из опыта. Результаты этих опытов противоречат классическим представлениям о рассеянии электромагнитных Рис. 371. а) Схема
опыта Комптона. б) Спектр рассеян- ного рентгеновского излучения волн атомами, согласно которым атом под действием падающе- го излучения должен испытывать вынужденные колебания и ста- новиться источником рассеянных волн, имеющих ту же частоту (т. е. ту же длину волны), что и падающая волна. Открытое Комптоном явление было, однако, прекрасно интер- претировано с помощью представ- ления о фотонах. Опыты Комп- тона проводились с рентгеновски- ми квантами с энергией 17,5 кэВ. Эта энергия велика по сравне- нию с энергией связи электронов в легких атомах (несколько элек- тронвольт). Поэтому можно счи- тать, что в опытах происходило столкновение фотона со свобод- ным электроном (а не с атомом как целым), напоминающее со- ударение упругих шаров. Применяя законы сохранения энергии
Гл. XXII. Строение атома 505
и импульса (рис. 372) к этому соударению, мы получим hν + m
e c 2 = hν
+ m 2 e c 4 + p 2 e c 2 , p 2 e =
hν c
2 +
hν c 2 − 2
h 2 c 2 νν cos ϑ. (209.5)
При определении p 2 e следует учитывать векторный характер за- кона сохранения импульса и использовать тригонометрическую теорему о связи между длинами сторон треугольника (рис. 372). Рис. 372. Упругое столкновение фо- тона и электрона. До столкновения электрон покоится: hν/c — импульс падающего фотона, hν /c — импульс рассеянного фотона, p e — импульс электрона, θ — угол рассеяния фотона При рассеянии рентгеновских фотонов высоких энергий элек- троны отдачи, получившие от этих фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света. Поэтому сле- дует учитывать релятивистский рост их массы и пользоваться законами релятивистской механики (см. §§ 199, 200), как это и было сделано в (209.5). Решение системы уравнений (209.5) приводит после некоторых преобразований к количественному объяснению соотношения для эффекта Комптона (209.4), уста- новленного ранее экспериментальным путем (см. упражнение 19 в конце главы). В дальнейшем в опытах с квантами очень высоких энергий было обнаружено комптоновское рассеяние не только при взаимодействиях с электронами, но и с другими частицами, например с протонами и нейтронами. Таким образом, в этих экспериментах непосредственно установлено, что фотон ведет себя как элементарная частица не только в явлениях фо- тоэффекта и при излучении, но и в процессах взаимодействия с электронами и другими частицами 1 ).
фотон — это некоторая частица. Были найдены процессы, в ко- торых фотон при взаимодействии с атомными ядрами исчезает, а вместо него образуется пара элементарных частиц: электрон 1 ) С точки зрения современной теории элементарных частиц, комптоновское рассеяние рассматривается как поглощение фотона hν электроном (или другой частицей) с последующим излучением новой частицы — фотона hν
.
|