Эффект Комптона. 
Квантовые свойства света

Эффект Комптона — рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц — корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля — фотоны), что доказывает двойственную — корпускулярно-волновую — природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.

Комптоновское рассеяние — это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией.

Е = hн = hc/л.

(h — постоянная Планка, н — частота электромагнитной волны, л — её длина, с — скорость света) и импульсом.

р = Е/с.

Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию.

Е' = hн'

(и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона л' увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину.

.

где и — угол рассеяния фотона, а me — масса электрона h/mec = 0.024 Е называется комптоновской длиной волны электрона.

Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от л и определяется лишь углом и рассеяния г-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением.

Эффективное сечение рассеяния г-кванта на электроне не зависит от характеристик вещества поглотителя. Эффективное сечение этого же процесса, рассчитанное на один атом, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z.

Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии г-кванта: уk ~ 1/Eг.

Обратный комптон-эффект

Если электрон, на котором рассеивается фотон, является ультрарелятивистским Ee >> Eг, то при таком столкновении электрон теряет энергию, а фотон приобретает энергию. Такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков г-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник г-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS). В работающем в настоящее время источнике LEGS лазерное излучение с длиной волны 351.1 мкм (~0.6 эВ) в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток г-квантов с энергиями 400 МэВ).

Энергия рассеянного фотона Eг зависит от скорости v ускоренного пучка электронов, энергии Eг0 и угла столкновения и фотонов лазерного излучения с пучком электронов, угла между ц направлениями движения первичного и рассеянного фотона.

При «лобовом» столкновении.

E0? полная энергия электрона до взаимодействия, mc2? энергия покоя электрона.

Если направление скоростей начальных фотонов изотропно, то средняя энергия рассеянных фотонов г определяется соотношением г = (4Eг/3)· (Ee/mc2).

При рассеянии релятивистских электронов на микроволновом реликтовом излучении образуется изотропное рентгеновское космическое излучение с энергией.

Eг = 50−100 кэВ.

Эксперимент подтвердил предсказанное изменение длины волны фотона, что свидетельствовало в пользу корпускулярного представления о механизме эффекта Комптона. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом явился убедительным доказательством правильности исходных положений квантовой теории о корпускулярно-волновой природе частиц микромира.