3.Ефект комптона

Значним кроком у підтвердженні квантової гіпотези було відкриття у 1922 р. американським ученим А. Комптоном явища, яке спостерігається під час розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.

Спрямувавши рентгенівське проміння певної довжини хвилі  на досліджувану речовину (мал. 6.2), учений зафіксував зростання довжини хвилі розсіяного випромінювання. Це явище, назване ефектом Комптона, остаточно підтвердило корпускулярні властивості світла і стало переконливим доказом квантової гіпотези.

Рентгенівське випромінювання (Х-промені) — електромагнітне випромінювання з меншою, ніж у видимого світла, довжиною хвилі (~ 10^-8 ... 10^-12м). Монохроматичні рентгенівські промені Р довжиною хвилі , проходячи крізь діафрагму Д, потрапляють вузьким пучком на пластинку. Внаслідок розсіювання частина з них відхиляється на певний кут . За допомогою спеціального приладу — спектрографа С можна виміряти кут відхилення  і довжину хвилі ' розсіяного рентгенівського випромінювання. Досліди Комптона показали, що розсіяне рентгенівське проміння має більшу довжину хвилі, ніж падаюче: ' > . Він встановив, що їх різниця Δ = ' -  не залежить від довжини хвилі падаючого проміння і хімічної природи речовини, що розсіює випромінювання:

де _к = 2,43 · 10^-12м — стала, яку називають комптонівською довжиною хвилі.

Класична хвильова теорія розсіювання неспроможна була пояснити ефект Комптона, оскільки вона стверджувала, що довжина хвилі розсіяного світла не повинна змінюватися, адже під дією випромінювання в речовині виникають електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й падаючого світла.

Це явище теоретично обґрунтував А. Комптон на основі квантової гіпотези. Він припустив, що часткове розсіювання фотонів відбувається на вільних або слабко зв'язаних електронах за законами пружного удару. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону (мал. 6.3). За законом збереження імпульсу: звідси р_ф < р_о, або  тобто '  > , що й було одержано в експерименті.

Установлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого світла або ультрафіолетового випромінювання, де має місце явище фотоефекту. Це пояснюють тим, що енергія світлового кванта сумірна з енергією зв'язку електрона в атомі, і тому фотон може поглинатися атомом, зумовлюючи фотоефект. Однак явище розсіювання не спостерігатиметься, оскільки електрон не можна вважати вільним або слабко зв'язаним.

Енергія фотона оптичного діапазону знаходиться в межах 3 · 10^-19 — 40 · 10^-19 Дж (2—25 еВ). Енергія рентгенівського фотона становить понад 250 еВ.

Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв'язку електрона в атомі і тому електрон можна вважати вільним. Його зіткнення з фотоном відбувається за законами пружного удару, і тому відбувається розсіювання променів, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі випромінювання.