Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 96
Текст из файла (страница 96)
(209.2) Действительно, измерения подтвердили, что рентгеновский спектр в таких экспериментах характеризуется коротковолновой границеи ~т!и С!смех~ где с — скорость света, а максимальная частота излучения согласуется с условием (209.2). Более короткие волны (большие значения частоты с) никогда прн этом не наблюдаются, а более длинные волны соответствуют превращению лишь части кинетической энергии электрона в рентгеновское излучение. Определение коротковолновой границы рентгеновского спектра может быть выполнено весьма надежно.
Поэтому такие опыты использовались для определения значения постоянной Планка (в соответствии с (209.2)). Наилучшие измерения, выполненные этим методом, дали л= = 6,624 1О "Дж с е). Эти данные согласуются с результатами измерения Ь в опытах по фотоэффекту. Таким образом, теория квантов хорошо подтверждается не только опытами по поглощению энергии излучения (фотоэффект), но и опытами по ее испусканию. Регулируя число электронов, бомбарднрующих анод рентгеновской трубки, мы можем изменять число излучаемых рентгеновских фотонов. Если теперь подвергнуть металлическую пластинку воздействию рентгеновским излучением, вызывая тем самым выход фотоэлектронов, то, как показывают опыты, кинетическая энергия этих электронов будет равняться энергии рентгеновских квантов (так как энергия электронов и рентгеновских квантов в таких опытах составляет десятки киловольт, то работой выхода элек') Наиболее точное современное значение постоянной Планка й=(6,626!76~0,000036) 1О аа Дж с.
499 тронов из металла — несколько электронвольт — можно пренебречь). Таким образом, весь цикл превращений энергии в этих опытах выглядит так: 1) превращение работы электричес! кого поля еу в кинетическую энергию электрона )р'= — „то,' в рентгеновской трубке; 2) превращение кинетической энергии электрона в энергию излучаемого электроном при резком торможении рентгеновского кванта; 3) поглощение фотона электроном и превращение его энергии в кинетическую энергию фотоэлектрона: ! ~ ! еУ = — ти' = Ьт = — гпп'.
2 ' 2 Р \Р7 ! нт ь" с с ' с' (209.3) Как мы уже видели раньше (5 200), отличительной особен- ностью фотона является равенство нулю его массы покоя: фотон всегда движется со скоростью света и не может су- ществовать, как покоящаяся частица. Такие опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удобными условиями экспериментов с рентгеновским излучением. Все они показывают, что энергия передается в этих явлениях концентрированными порциями, а не накапливается постепенно, как зто имело бы место при непрерывной передаче энергии в виде электромагнитной волны. Один из самых убедительных опытов такого типа был поставлен Абрамом Федоровичем Иоффе (1880 — 1960).
Были выполнены также прямые эксперименты по регистрации отдельных фотонов, показывающие, что энергия рентгеновского излучения распространяется от анода трубки в разные стороны не одновременно, а в виде порций (кваитов), летящих то в ту, то в другую сторону. Таким образом, исследование фотоэффекта и опыты с рентгеновским излучением убедительно показали, что свет ведет себя в этих явлениях не как волна, а как некоторая частица — фотон, которая образуется при излучении, летит в каком-то направлении и, поглощаясь, целиком отдает свою энергию другой частице.
Но если фотон ведет себя как частица с полной энергией %'=йт, то он должен иметь и определенный импульс. Фотон имеет скорость, равную скорости света. Поэтому из общих формул релятивистской механики (см. Я 199, 200) следует ожидать, что он будет обладать импульсом То, что фотоны обладают импульсом, косвенным образом следует уже из опытов по световому давлению 8 65), Способность света оказывать давление на отражающую или поглощающую поверхность следует интерпретировать как результат передачи импульса фотонов, подобно ! !""'"" тому как отражающиеся от стенки сосуда молекулы газа передавая ей импульс, оказывают на нее давление !! (см. том 1). о| Очень важную роль в о развитии представлений о ее фотонах как некоторых эле- )н~ ментарных частицах сыграли опыты аэгериканского физика Артура Комптона (1892 — -1962), в которых непосредственно было показано, что фотоны прп соударениях с электронами ведут себя, как частицы с бг энергией н импульсом, свя- Жгп вгггеанае,сдггтлгпагггал,,) занныин между собойсоот- Рпс Згг.
а) Схема опыта Комптона. ношением (209.3) б) Спекср рассеянного рентгсповскоИсследуя рассеяние го наауяення рентгеновского излучения в веществе из легких атомов (рис. 371) Комптон в 1923 г. обнаружил, что при этом происходит изменение длины волны рентгеновского излучения, и установил связь между изменением длины волны М. и углом рассеяния 0 Л); =. 2г., зггга —. . еа (209. 4) Здесь постоянная ее==)г'пг,с=2,43 1О ". и была первоначально определена из опыта.
Результаты этих опытов противоречат классическим представлениям о рассеянии электромагнитных волн атомами, согласяо которым атом под действием падающего излученпя должен испытывать вынужденные колебания и становиться источником рассеянных волн, имеющих ту же частоту (т. е. ту же длину волны), что и падающая воляа. Открытое Комптоном явление было, однако, прекрасно интерпретировано с помощью представления о фотонах. Опьпы Комптона проводились с рентгеновскими квантами с энергией 17,5 кэВ. Эта энергия велика по сравнению с энергией связи электронов в легких атомах (несколько электронвольт). Поэтому можно считать, что в опытах происходило столкновение фотона со свободным электроном (а не с атомом как целым), напоминающее соударение Рнс.
372. упругое столкновение фотона и электрона. До столкновения электрон покоится: Ыс — импульс падающего фотоне, лтфс — импульс рассеянного фотонэ, рэ — импульс электронэ, Π— угол рэс- сеяния фотона упругих шаров. Примеаяя законы сохранения энергии и импульса (рис. 372) к этому соударению, мы получим Прн определении р', следует учитывать векторный характер закона сохранения импульса и использовать тригонометрическую теорему о связи между длинами сторон треугольника (рис. 372). При рассеянии рентгеновских фотонов высоких энергий электроны отдачи, получившие от этих фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света.
Поэтому следует учитывать релятивистский рост их массы и пользоваться законами релятивистской механики (см. Я 199, 200), как зто н было сделано в (209,5), Решение системы уравнений (209.5) приводит после некоторых преобразований к количественнолгу объяснению соотношения для эффекта Комптона (209А), установленного ранее экспериментальным путем (см. упражнение 19 в конце главы). В дальнейшем в опытах с квантами очень высоких энергий было обнаружено комптоновское рассеяние не только при взаимодействиях с электронами, но и с другими частицами, например с протонами и нейтронами. Таким образом, в этих экспериментах непосредственно установлено, что фотон ведет себя как элементарная частица не только в явлениях фотоэффекта и при излучении, но и в процессах взаимодействия с электронами и другими частицами е).
') С точки зрения современной теории элементэриых частиц, комптоновское рассеяние рэссмвтрнввется квк поглощение фотона йя электроном (или другой частицей) с последующим излучением новой частицы- фотона йт', Последующие опыты подтвердили представления о том, что фотон — это некоторая частица. Были найдены процессы, в которых фотон при взаимодействии с атомными ядрами исчезает, а вместо него образуется пара элементарных частиц: электрон и позитрон (частица, имеющая массу электрона и положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона), причем ядро остается при этом без изменений (см, Э 223). В этих опытах было доказано, что электроны и позитроны не выделяются из ядра, ибо ядро остается неизменным, а возникают под действием света. Разлетевшиеся электрон, позитрон и ядро обладают энергиями я импульсами, которые они заимствуют у исчезнувшего фотона. Был обнаружен и обратный процесс, когда электрон и позитрон, взаимодействуя друг с другом, перестают существовать как элементарные заряженные частицы: их заряды взаимно нейтрализуются, а их энергии покоя переходят в энергию образующейся в таком процессе пары фотонов, разлетающихся со скоростью света.
Как мы увидим в дальнейшем (гл. ХХЧ), такие взаимные превращения одних частиц в другие являются очень важным и характерным их свойством, и в этом смысле фотон ничем не отличается от других микрочастиц, таких, как электроны, протоны и т. д. Наконец, следует сказать, что фотоны, как и все другие частицы, могут испытывать на себе действие гравитационного поля. Так, точные наблюдения во время полных солнечных затмений за положением звезд, свет от которых проходит вблизи Солнца, показывают, что этот свет подвергается притяжению Солнца и отклоняется от своего первоначального пути. Качественноэто можно понять, если учесть, что фотоны обладают энергией йт, которой соответствует <масса движения» т=ИЫс', испытывающая гравитационное притяжение к Солнцу. Другой экспериментально наблюдавшийся очень красивый эффект состоит в том, что фотон, двигаясь в гравитационном поле, изменяет свою энергию.
При этом энергия фотона Ж'=тс'=Ь при движении, например, в поле тяготения Земли, меняется, вследствие изменения его потенциальной энергии в этом поле, на величину тйН= —,йН, ьт где Н вЂ” путь, который пролетает фотон вдоль направления гравитационного поля Земли. Отсюда можно заклю- 503 чить, что частота фотона изменяется на величину ~ян Лч = —. с~ В опытах. в которых исследовалось движение фотонов, испускаемых возбужденными ядрами атома, в поле тяготения с высоты Н =22,6 м до уровня поверхности Земли, удалось наблюдать изменение частоты фотонов, которое прекрасно совпало с теоретическими предсказаниями: .ь яг~ М и;ь' язв и - 2,5 1О с~ 9 ! О'"' (и,'с)' подтвердив тем самым, что фотоны подвержены гравитационному воздействию. Таким образом, как мы смогли убедиться, рассмотрев многочисленные и разнообразные эксперименты, в ряде случаев свет надо рассматривать как поток корпускул — фотонов, обладающих свойствами, присущими другим микрочастицам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
