Ефект А. Комптона. До експериментів, які були проведені на початку 20-х років XX ст. і підтвердили квантову природу світла, належить ефект Комптона, названий так на честь його відкривача А. Г. Комптона (1892-1962). Комптон вивчав розсіювання короткохвильового випромінювання різними речовинами, зокрема розсіювання фотонів рентгенівського випромінювання на вільних електронах у графіті та парафіні.
У ході досліджень Комптон виявив, що частота хвилі розсіяного світла менша від частоти падаючого світла. Відповідно довжина хвилі розсіяного фотона А/ більша від довжини хвилі падаючого фотона А.. Досліди показали, що різниця ДА. = X' - X не залежить від довжини падаючого світла і природи речовини, що розсіює, а визначається тільки значенням кута розсіяння 0
(мал. 272), а саме визначається формулою
Довжину хвилі
називають комптонівською довжиною хвилі.
Зменшення частоти (збільшення довжини хвилі) вказувало на втрату енергії. Пояснити цей ефект в рамках електромагнітної теорії світла не вдавалось. Довжина хвилі розсіюваного випромінювання не повинна змінюватись, адже під його дією в речовині повинні утворитись електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й хвилі падаючого випромінювання.
Комптон показав, що виявлений ним ефект можна пояснити на основі квантової теорії світла, а саме співударом налітаючо-го фотона з електроном речовини. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону. Згідно із законом збереження імпульсу
звідси
Встановлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого випромінювання, оскільки енергія світлового кванта у цьому випадку сумірна з енергією зв’язку електрона в атомі. Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв’язку електрона в атомі, і тому зіткнення фотона з електроном відбувається за законами пружного удару. За таких умов спостерігається розсіювання рентгенівських променів, довжина хвилі яких при цьому зростає.
Дослід В. Боте. Ще один чудовий дослід, який безпосередньо підтверджував гіпотезу А. Ейнштейна про корпускулярну природу світла, у тому числі й рентгенівського випромінювання, було проведено німецьким фізиком В. Боте. У досліді Боте на певній відстані від джерела рентгенівського випромінювання розміщували два лічильники Гейгера-Мюллера (мал. 273). З курсу фізики 9 класу ви знаєте, що ці лічильники здатні реєструвати появу в них заряджених частинок, зокрема і вільних електронів. У досліді Боте поява вільних електронів була зумовлена фотоефектом або комптон-ефектом після попадання в лічильник рентгенівського випромінювання.
Рентгенівські промені випускались звичайною рентгенівською трубкою Р і потрапляли на пластинку із тонкої металевої фольги Ф, у результаті чого в ній також збуджувались рентгенівські промені, але інтенсивність їх була дуже слабкою. Ідея досліду полягала в тому, щоб зареєструвати електрони у лічильниках Лх та Лг. Якщо збуджене рентгенівське випромінювання виходить з пластинки Ф у вигляді електромагнітної хвилі, то в обох лічильниках електрони мають виникати одночасно і лічильники одночасно мали давати імпульс. Якщо ж рентгенівське випромінювання є потоком фотонів, кожен з яких випускається з пластинки Ф незалежно від інших, то одночасна реєстрація механізмами Мх та М2 (які робили відповідні відмітки на рухомій стрічці С) влучання в лічильники Лх та Л2 рентгенівських фотонів має бути випадковою подією.
Дослід Боте показав, що одночасний показ лічильників дійсно носить випадковий характер, що є підтвердженням квантової природи рентгенівського випромінювання.
Фотохімічна дія світла. Поглинання світла речовиною може супроводжуватись також хімічною дією світла. Хімічна дія світла виявляється в тому, що світло викликає такі хімічні перетворення, які без світла не відбуваються. Хімічні реакції, що перебігають внаслідок дії світла, називають фотохімічними. Наприклад, під дією ультрафіолетового випромінювання з молекул кисню утворюються молекули озону, 302 + ftv = 203. Як видно, у процесі фотохімічної реакції кожен поглинутий фотон взаємодіє з однією молекулою.
Найважливішою фотохімічною реакцією в природі є фотосинтез - процес утворення під дією світла вуглеводнів із виділенням кисню в рослинах і
деяких мікроорганізмах за реакцією
Завдяки фотосинтезу на Землі зберігається безперервний кругообіг вуглецю і підтримується життя. Учені встановили, що фотосинтез хлорофілом вуглеводів, що містяться у рослинах, відбувається під дією червоних променів спектра сонячного світла. Приєднуючи до вуглеводневого ланцюга атоми інших елементів, одержуваних з ґрунту, рослини будують молекули вуглеводів, жирів і білків, створюючи їжу для людини і тварин.
Хімічну дію світла покладено в основу фотографії на фотоплівку (фото-пластину). Основу такої фотографії становить фотохімічна реакція розкладу бромистого срібла. Зір людини також пояснюється особливими фотохімічними процесами, які відбуваються в сітківці ока.
Дайте відповіді на запитання
1. У чому полягає суть ефекту Комптона? Чому не вдається його пояснити, виходячи з хвильової теорії світла?
2. У чому суть досліду Боте? Який висновок можна зробити з цього досліду?
3. У чому виявляється хімічна дія світла?
4. Які реакції називають фотохімічними? Наведіть приклади фотохімічних реакцій.
Приклади розв’язування задач
Задача. В ефекті Комптона фотон внаслідок співудару 'з електроном розсіявся під кутом 90°. Визначити енергію фотона до розсіювання, якщо після розсіювання енергія фотона дорівнює 0,4 МеВ.
Розв'язання
За формулою Комптона
Виразимо довжини хвиль
через енергії Е і Е' відповідних
фотонів:
Тоді формулу Комптона можна записати у вигляді
Враховуючи, що енергія спокою електрона
отримуємо
Після підстановки даних отримуємо
Відповідь: 1,85 МеВ.
Вправа 34
1. Рентгенівські промені з довжиною хвилі 70,8 пм зазнають комптонівсько-го розсіяння на парафіні. Визначити довжину розсіяного рентгенівського випромінювання у напрямках: а) 0 = л/2; б) 0 = л.
2. Якою була довжина хвилі рентгенівського випромінювання, якщо внаслідок комптонівського розсіяння цього випромінювання графітом під кутом 60° довжина хвилі розсіяного випромінювання дорівнює 25,4 пм?
3. Рентгенівські промені довжиною хвилі 20 пм зазнають комптонівського розсіяння під кутом 90°. Визначити зміну довжини хвилі рентгенівського випромінювання, а також енергію та імпульс електрона віддачі.
4. В акті комптонівського розсіяння енергія падаючого фотона розподіляється порівну між розсіяним фотоном та електроном віддачі. Кут розсіяння 90°. Визначити енергію та імпульс розсіяного фотона.
5. Енергія рентгенівських променів 0,6 МеВ. Визначити енергію електрона віддачі, якщо довжина хвилі рентгенівських променів після комптонівського розсіяння змінилась на 20%.