Фотоны. Давление света. Тормозное рентгеновское излучение. Эффект Комптона.

Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).
Основные свойства фотона 1. Является частицей электромагнитного поля. 2. Движется со скоростью света. 3. Существует только в движении. 4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.
Энергия фотона: . Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда - масса фотона. Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.
Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.
Давление света
В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие(благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).
Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:
При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).
Это давление оказалось ~4.10-6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом
Эффект Комптона (1923)
А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом. Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон - электрон:
где m0c2 - энергия неподвижного электрона; hv - энергия фотона до столкновения; hv' - энергия фотона после столкновения, P и p' - импульсы фотона до и после столкновения; mv - импульс электрона после столкновения с фотоном.
Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:
где - так называемая комптоновская длина волны.

Рентгеновское излучение обычно получают при бомбардировке быстрыми электронами поверхности какого-либо вещества в твёрдом состоянии. Различают два типа рентгеновского излучения. Если энергия электронов, которые внедряются в вещество, меньше некоторой определённой величины, то возникает только Тормозное излучение. Исследования этого излучения с помощью рентгеновских специальных приборов показали, что спектр тормозного излучения является сплошным и имеет некоторые специфические особенности.

Зависимость спектральной плотности интенсивности От длины волны в тормозном спектре соответствует гладкой кривой с максимумом. Интенсивность уменьшается от максимума в сторону длинных волн довольно медленно, асимптотически приближаясь к нулю. Наоборот, в сторону коротких волн интенсивность спадает быстро и спектр резко обрывается при определённой длине волны , которая носит название коротковолновой границы спектра или граничной длины волны. Максимум В тормозном спектре лежит приблизительно при 1,5 .

На тормозной спектр сильное влияние оказывает начальная кинетическая энергия электронов , величина которой связана с ускоряющим напряжением :

.

(

Напряжение Можно легко регулировать. С увеличением граничная длина волны убывает, а спектральная плотность интенсивности Возрастает при всех значениях . В результате кривая , приподнимаясь, смещается в сторону меньших длин волн.

Существенно, что общий вид тормозного спектра не зависит от вещества, в котором электроны испытывают торможение, а полностью определяется ускоряющим напряжением . Однако интенсивность излучения при неизменном напряжении заметно возрастает при использовании веществ с большим порядковым номером .

Отмеченные закономерности в спектрах тормозного рентгеновского излучения, образующегося при бомбардировке электронами поверхности твёрдого тела, находят количественное выражение в приближённой эмпирической формуле для распределения спектральной плотности по длинам волн:

,

(3

где – постоянный коэффициент, - порядковый номер элемента, - ускоряющее напряжение.

Экспериментально сложнее получать рентгеновское излучение от вещества в газообразном состоянии. В этом случае тормозной спектр упрощается: спектральная плотность убывает в нём монотонно от максимального значения при по закону:

.