Эффект Комптона

Резиновый мячик, отскочивший от бетонной стены, не теряет скорости, но тот же мячик от футбольного отскакивает уже ослабленным. Комптон в 1923 году обнаружил, что рентгеновский фотон ведёт себя как мячик: рассеиваясь на слабо связанных электронах графита, он удлиняет волну тем сильнее, чем крупнее угол рассеяния. Эффект Комптона — рост длины волны $\Delta \lambda ={\lambda }^{\prime }-\lambda ={\lambda }_c(1-\cos \theta )$, где ${\lambda }_c=h/(m_{e}c)=2,43$ пм — комптоновская длина волны электрона. Классическая волна такого не умеет: осциллируя в поле волны, электрон переизлучает на той же частоте, и никакого сдвига быть не может. А бильярдная механика с сохранением энергии и импульса предсказывает формулу точно — фотон здесь частица по всем правилам игры.

Числа: рассеяние на прямой угол $\theta =90^{\circ }$ удлиняет волну ровно на $2,43$ пм — величина универсальная, от энергии фотона не зависящая. Возьмём рентген с $\lambda =71$ пм (около $17,5$ кэВ): после рассеяния ${\lambda }^{\prime }=73,4$ пм, что отвечает $1240/0,0734\approx 16,9$ кэВ. Разница около $0,6$ кэВ ушла электрону отдачи — его след поймали в камере Вильсона и сверили баланс импульса по всем правилам механики. Заметьте асимметрию масштабов: для видимого света $\lambda =550$ нм сдвиг в $2,43$ пм — мелочь на пять порядков, эффект прячется под размазанной линией, поэтому Комптона и увидели именно на рентгене. Фотонная бухгалтерия — в терминах энергия фотона, двойственность — в уроке двойная природа частиц, экспериментальная сторона — в уроке комптоновское рассеяние и фотоны.