Действие Комптон-эффекта

К. э. возможен не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например на протонах, но из-за большой массы протона отдача его заметна лишь при рассеянии фотонов очень высокой энергии.

Двойной К. э. -- образование двух рассеянных фотонов вместо одного первичного при его рассеянии на свободном электроне. Существование такого процесса следует из квантовой электродинамики; впервые он наблюдался в 1952. Его вероятность примерно в 100 раз меньше вероятности обычного К. э.

Если электроны, на которых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими (то есть движутся со скоростями, близкими к скорости света), то при упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, то есть энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счет энергии (и импульса) электронов. Это явление называют обратным К. э. Обратный К. э. часто привлекают для объяснения механизма излучения космических рентгеновских источников, образования рентгеновской компоненты фонового галактического излучения, трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.



Рис. 3. График зависимости полной интенсивности комптоновского рассеяния s от энергии фотона Eg (в единицах полной интенсивности классич. рассеяния); стрелкой указана энергия, при которой начинается рождение электрон-позитронных пар.

рентгеновский излучение комптон

Рис. 1. Упругое столкновение фотона и электрона в Комптона эффекте. До столкновения электрон покоился; pn и pn' -- налетающего и рассеянного фотонов, -- импульс отдачи (n -- его скорость), рассеяния фотона, J -- угол вылета электрона отдачи относительно направления падающего фотона.

Рис. 2. Зависимость энергии рассеянного фотона E'g от угла рассеяния J (для удобства изображена только верхняя половина симметричной кривой) и энергии электрона отдачи Ee от угла вылета j (нижняя половина кривой).

Величины, относящиеся к одному акту рассеяния, помечены одинаковыми цифрами. Векторы, проведённые из точки О, в которой произошло столкновение фотона энергии Eg с покоящимся электроном, до соответствующих точек этих кривых, изображают состояние частиц после рассеяния: величины векторов дают энергию частиц, а углы, которые образуют векторы с направлением падающего фотона, определяют угол рассеяния фотона J и угол вылета электрона отдачи j. (График вычерчен для случая рассеяния «жёстких» рентгеновских лучей с длиной волны hc/Eg = l0 =0,024.

Комптоновское рассеяние

Комптоновское рассеяние- упругое рассеяние фотона на свободном электроне. К.р. определяет непрозрачность вещества для жёстких (высокоэнергичных) рентгеновских и гамма-лучей. Оно играет важную роль в атмосферах нейтронных звёзд, в рентг. источниках, в недрах звёзд. Частным случаем К. р. в пределе низкочастотных фотонов и малоэнергичных электронов явл. томсоновское рассеяние. Рассеяние фотона на покоящемся электроне в силу законов сохранения энергии и количества движения сопровождается уменьшением энергии фотона и передачей её электрону. Это явление было экспериментально открыто в 1922 г. амер. физиком А. Комптоном, исследовавшим рассеяние рентг. лучей в графите, и известно как эффект Комптона (комптон-эффект), или эффект отдачи. Рассеяние низкочастотных фотонов на ультрарелятивистских электронах приводит к увеличению (во много раз) энергии фотонов - т.н. обратный комптон-эффект. Обратный комптон-эффект явл. одним из важнейших механизмов формирования спектров рентгеновского и гамма-излучения астрономич. объектов.



Рис. 1. Зависимость сечения комптоновского рассеяния от параметра

Сечение нормировано на

Сечение К. р. (сечение Клейна-Нишины-Тамма) зависит от параметра , где - частота фотона до рассеяния, ( - косинус угла между направлениями распространения фотона и электрона до рассеяния, v - скорость электрона до рассеяния, - лоренц-фактор электрона. Эта зависимость приведена на рис. 1. В случае рассеяния на покоящемся электроне . В нерелятивистском пределе (при ) сечение медленно уменьшается: . В ультрарелятивистском пределе () оно быстро убывает с ростом х: . Т. о., для низкочастотных фотонов сечение рассеяния равно сечению томсоновского рассеяния . При рассеянии на покоящихся электронах индикатриса рассеяния низкочастотных фотонов рэлеевская (см. Рэлеевское рассеяние). При увеличивается вероятность рассеяния вперёд, т.е. в направлении распространения фотона (см. рис. 1 в ст. Взаимодействие излучения с веществом).

Как и томсоновское рассеяние, К. р. может приводить к заметным поляризац. эффектам.

В процессе К. р. изменяются частота фотона и энергия электрона. Частота фотона после рассеяния

, (1)

где - косинус угла между направлениями распространения фотона после рассеяния и электрона до рассеяния, - угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и oпосле рассеяния, рис. 2). При рассеянии на покоящемся электроне (эффект Комптона)

или

, (2)

т. е. длина волны фотона при рассеянии увеличивается, это увеличение (пропорциональное h и, следовательно, имеющее квантовую природу) зависит лишь от угла рассеяния. Величина наз. комптоновской длиной волны. Из (2) видно, что изменение длины волны фотона при рассеянии на неподвижном электроне не превышает и, т.о., существенно лишь для достаточно коротковолнового излучения.



Рис. 2. Геометрия комптоновского рассеяния. Сплошные стрелки - направления движения электрона до и после рассеяния, волнистые - то же для фотона

При К. р. жесткого фотона с энергией на электроне имеется малая вероятность рождения низкочастотного фотона с энергией : . Этот процесс наз. двойным комптон-эффектом. Рождение низкочастотных фотонов вследствие двойного комптон-эффекта может конкурировать с тормозным процессом e+pe+p+ (см. Тормозное излучение) лишь в экстремально разреженной и горячей плазме на ранних стадиях расширения Вселенной, в рентгеновских и гамма-источниках.

Комптон-эффект ограничивает пробег жёстких фотонов в веществе. В результате многократных рассеяний жёсткий фотон уменьшает свою энергию (отдавая её электронам), переходит в др. область спектра и поглощается вследствие фотоионизации атомов. К. р. определяет длину пробега жёстких рентг. фотонов (10 кэВ < < 3 МэВ) в разреженной астрофизич. плазме. Рассеяние жёстких фотонов с кэВ на электроне в атоме водорода (или др. атома) происходит с тем же сечением, что и на свободном электроне. Это связано с тем, что энергия, сообщаемая электрону в силу эффекта отдачи, превышает энергию связи электрона в атоме водорода.

При рассеянии низкочастотных фотонов на ультрарелятивистских электронах (обратный комптон-эффект) максимальна вероятность рассеяния фотонов в направлении движения электрона (). Если то, как следует из (1), изменение частоты фотона описывается ф-лой:

. (3)

Т. о., при рассеянии низкочастотных фотонов на ультрарелятивистских электронах изменение частоты происходит только из-за Доплера эффекта (так же, как при отражении от движущейся стенки), а сечение рассеяния равно томсоновскому (мала величина х). Это легко понять, поскольку в этом случае в системе покоя электрона происходит классич. томсоновское рассеяние. Следовательно, обратный комптон-эффект, в отличие от комптон-эффекта, явл. чисто классич. эффектом (изменение частоты не зависит от h). Из (3) также следует, что при рассеянии в направлении движения электрона () происходит значит. увеличение частоты фотона . Частота фотонов при рассеянии на изотропно распределённых релятивистских электронах в среднем должна увеличиваться в раз. Такое же ср. увеличение имеет место, если фотоны изотропного поля излучения рассеиваются на пучке ультрарелятивистских электронов. Если электроны имеют степенное распределение по энергиям (dNe - концентрация релятивистских электронов в интервале энергий от , до , то спектр жёсткого излучения, формирующегося в результате обратного комптон-эффекта низкочастотных фотонов, также оказывается степенным. Его интенсивность (K и B - константы), где спектр. индекс . При очень высоких энергиях электронов, когда параметр х становится большим, уменьшается сечение рассеяния, прирост энергии фотонов при рассеянии становится меньше, чем . Это приводит к отклонению спектра жёсткого излучения от степенного закона. Асимптотически интенсивность , где Tr - темп-ра низкочастотных фотонов.

Обратный комптон-эффект часто считают осн. механизмом формирования жёстких степенных спектров излучения в квазарах и ядрах галактик. Этот процесс явл. осн. причиной потерь энергии релятивистскими электронами в изотропном поле низкочастотного излучения (напр., в поле микроволнового фонового излучения, заполняющего Вселенную) или в поле излучения компактных объектов. Характерное время потерь энергии в таком поле излучения , т.е. тем меньше, чем выше энергия электрона () и плотность энергии излучения . При , где Н - напряжённость магн. поля, потери энергии на обратный комптон-эффект превышают потери на синхротронное излучение.

К. р. может происходить не только на электронах, но и на любых др. заряженных частицах (напр., протонах). Но поскольку сечение К. р. обратно пропорционально квадрату массы, К. р. на тяжёлых частицах существенно менее эффективно.

8.1 Комптон-эффект

Рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах (так называемое томсоновское рассеяние, или комптон-эффект) давно привлекало внимание астрофизиков как один из основных механизмов переноса лучистой энергии в космических объектах. Например, рассеяние фотонов на свободных электронах определяет непрозрачность звездного вещества при очень высоких температурах, когда эффективность свободно-свободных переходов (тормозного излучения и поглощения) резко падает. Теория комптоновского переноса излучения приобрела особенно большое значение в последние годы в связи с открытием тепловых источников рентгеновского излучения (Скорпион Х-, Лебедь Х-1 и др.). По-видимому, излучающие области тепловых источников рентгеновского излучения оптически толстые по отношению к комптоновскому рассеянию фотонов; в этом случае форма энергетического спектра рентгеновского излучения источников существенно зависит от свойств комптон-эффекта. Комптоновское рассеяние это основной процесс взаимодействия жесткого рентгеновского излучения с веществом.

Более подробно влияние комптон-эффекта на распространение рентгеновского излучения в межзвездном газе обсуждается в 2.6. Приведенные примеры характерны для взаимодействия фотонов малых энергий (еу < тс2) с нерелятивистскими электронами. В астрофизике высоких энергий эти процессы имеют второстепенное значение; гораздо больший интерес представляет так называемый обратный комптон-эффект рассеяние электромагнитного излучения на ультрарелятивистских электронах. Внешние проявления обратного комптон-эффекта сильно отличаются от свойств прямого комптон-эффекта рассеяния на покоящихся электронах. Если в прямом комптон-эффекте энергия фотона уменьшается в процессе рассеяния, то в обратном комптон-эффекте происходит резкое увеличение энергии фотона. Поэтому и появился термин обратный комптон-эффект: обмен энергией между фотоном и электроном в обратном комптон-эффекте происходит в обратном (по отношению к прямому комптон-эффекту) направлении. Резкое увеличение энергии фотона в процессе рассеяния на ультрарелятивистских электронах послужило одной из причин повышенного интереса к обратному комптон-эффекту. Дело в том, что для объяснения нетеплового электромагнитного излучения с высокими энергиями фотонов (оптического, рентгеновского и у-излучения) в рамках магнитотормозной гипотезы необходимо использовать электроны очень высоких энергий. Например, электроны, излучающие в оптическом диапазоне (ev ~ 1 эв), при движении в магнитном поле с напряженностью Н ~ 10-5 гс должны иметь энергию порядка 1012 эв [см. формулу (2.22)]. Электроны, излучающие в диапазоне у-излучения (ev 100 Мэв), должны иметь фантастически большую энергию 1016 эв. Обычно томсоновским рассеянием называют рассеяние фотонов малых энергий, подчиняющееся законам классической электродинамики. Комптон-эффектом называют рассеяние фотонов больших энергий (Еу /яса), в котором проявляются квантовые эффекты. Генерация жесткого электромагнитного излучения в процессе обратного комптон-эффекта возможна при гораздо меньших энергиях электронов. Например, при обратном комптон-эффекте фотонов реликтового излучения, средняя энергия которых равна 6 10~4 эв (см. 1.4), на ультрарелятивистских электронах рассеянное излучение попадает в оптический диапазон при энергии электронов Ее порядка 108 эв, а в 7-диапазон при Ее ~ 10 12 эв.|

Комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн -- рентгеновского и гамма-излучения. В К. э. впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства излучения.

К. э. открыт в 1922 американским физиком А. Комптоном, обнаружившим, что рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем падающие. Классическая теория не могла объяснить такого сдвига длины волны. Действительно, согласно классической электродинамике, под действием периодического электрического поля электромагнитной (световой) волны электрон должен колебаться с частотой, равной частоте поля, и, следовательно, излучать вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Таким образом, при "классическом" рассеянии (теория которого была дана английским физиком Дж. Дж. Томсоном и которое поэтому называют "томсоновским") длина световой волны не меняется.

Первоначальная теория К. э. на основе квантовых представлений была дана А. Комптоном и независимо П. Дебаем. По квантовой теории световая волна представляет собой поток световых квантов -- фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию E g = hu = hcll и импульс p g=(h/l) n, где l -- длина волны падающего света (u -- его частота), с -- скорость света, h -- постоянная Планка, а n -- единичный вектор в направлении распространения волны (индекс у означает фотон). К. э. в квантовой теории выглядит как упругое столкновение двух частиц -- налетающего фотона и покоящегося электрона. В каждом таком акте столкновения соблюдаются законы сохранения энергии и импульса. Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается); уменьшение энергии фотона и означает увеличение длины волны рассеянного света. Электрон, ранее покоившийся, получает от фотона энергию и импульс и приходит в движение -- испытывает отдачу. Направление движения частиц после столкновения, а также их энергии определяются законами сохранения энергии и импульса (рис. 1).

Совместное решение уравнений, выражающих равенства суммарной энергии и суммарного импульса частиц до и после столкновения (в предположении, что электрон до столкновения покоился), даёт для сдвига длины световой волны Dl формулу Комптона:

Dl= l' -- l= lо (1--cos J).

Здесь l' -- длина волны рассеянного света, J -- угол рассеяния фотона, а l0 = h/mc = 2,426·10-10см = 0,024 Е -- так называемая комптоновская длина волны электрона (т -- масса электрона). Из формулы Комптона следует, что сдвиг длины волны Dl не зависит от самой длины волны падающего света l. Он определяется лишь углом рассеяния фотона Jи максимален при J = 180°, т. е. при рассеянии назад: Dl макс. =2l0.

Из тех же уравнений можно получить выражения для энергии Ee электрона отдачи ("комптоновского" электрона) в зависимости от угла его вылета SYMBOL 106 \f "Symbol" \s 12j. На графически представлена зависимость энергии рассеянного фотона от угла рассеяния J, а также связанная с нею зависимость Ee от j. Из рисунка видно, что электроны отдачи всегда имеют составляющую скорости по направлению движения падающего фотона (т. е. j не превышает 90°).

Опыт подтвердил все теоретические предсказания. Таким образом, была экспериментально доказана правильность корпускулярных представлений о механизме К. э. и тем самым правильность исходных положений квантовой теории.

В реальных опытах по рассеянию фотонов веществом электроны не свободны, а связаны в атомах. Если фотоны обладают большой энергией по сравнению с энергией связи электронов в атоме (фотоны рентгеновского и g-излучения), то электроны испытывают настолько сильную отдачу, что оказываются выбитыми из атома. В этом случае рассеивание фотонов происходит как на свободных электронах. Если же энергия фотона недостаточна для того, чтобы вырвать электрон из атома, то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома очень велика (по сравнению с эквивалентной массой фотона, равной, согласно относительности теории, E g /с2), то отдача практически отсутствует; поэтому рассеяние фотона произойдет без изменения его энергии, то есть без изменения длины волны (как говорят когерентно). В тяжелых атомах слабо связаны лишь периферические электроны (в отличие от электронов, заполняющие внутренние оболочки атома) и поэтому в спектре рассеянного излучения присутствует как смещенная, комптоновская линия от рассеяния на периферических электронах, так и не смещенная, когерентная линия от рассеяния на атоме в целом. С увеличением атомного номера элемента (то есть заряда ядра) энергия связи электронов увеличивается, и относительная интенсивность комптоновской линии падает, а когерентной линии -- растет.

Движение электронов в атомах приводит к уширению комптоновской линии рассеянного излучения. Это объясняется тем, что для движущихся электронов длина волны падающего света кажется несколько измененной, причем величина изменения зависит от величины и направления скорости движения электрона (см. Доплера эффект). Тщательные измерения распределения интенсивности внутри комптоновской линии, отражающего распределение электронов рассеивающего вещества по скоростям, подтвердили правильность квантовой теории, согласно которой электроны подчиняются Ферми -- Дирака статистике.

Рассмотренная упрощённая теория К. э. не позволяет вычислить все характеристики комптоновского рассеяния, в частности интенсивность рассеяния фотонов под разными углами. Полную теорию К. э. даёт квантовая электродинамика. Интенсивность комптоновского рассеяния зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего излучения. В угловом распределении рассеянных фотонов наблюдается асимметрия: больше фотонов рассеивается по направлению вперёд, причём эта асимметрия увеличивается с энергией падающих фотонов. Полная интенсивность комптоновского рассеяния уменьшается с ростом энергии первичных фотонов; это означает, что вероятность комптоновского рассеяния фотона, пролетающего через вещество, убывает с его энергией. Такая зависимость интенсивности от E g определяет место К. э. среди других эффектов взаимодействия излучения с веществом, ответственных за потери энергии фотонами при их пролёте через вещество. Например, в свинце (в статье Гамма-излучение) К. э. даёт главный вклад в энергетические потери фотонов при энергиях порядка 1--10 Мэв (в более лёгком элементе -- алюминии -- этот диапазон составляет 0,1--30 Мэв); ниже этой области с ним успешно конкурирует фотоэффект, а выше -- рождение пар (см. Аннигиляция и рождение пар).

Комптоновское рассеяние широко используется в исследованиях g-излучения ядер, а также лежит в основе принципа действия некоторых гамма-спектрометров.

К. э. возможен не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например на протонах, но из-за большой массы протона отдача его заметна лишь при рассеянии фотонов очень высокой энергии.

Двойной К. э. -- образование двух рассеянных фотонов вместо одного первичного при его рассеянии на свободном электроне. Существование такого процесса следует из квантовой электродинамики; впервые он наблюдался в 1952. Его вероятность примерно в 100 раз меньше вероятности обычного К. э.



9.Ход изучения “Комптон-эффекта”

1. сентября 7, 2009 . 12:47

Объяснить эффект Комптона невозможно в рамках классической электродинамики. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотона. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

2. сентября 12, 2009 at 17:37

КОМПТОНА ЭФФЕКТ, открытое А. Комптоном (1922) упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма-излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны l. Комптона эффект противоречит классической теории, согласно которой при таком рассеянии l не должна меняться. Комптона эффект подтвердил правильность квантовых представлений об электромагнитном излучении как о потоке фотонов и может рассматриваться как упругое столкновение двух «частиц» фотона и электрона, при котором фотон передает электрону часть своей энергии (и импульса), вследствие чего его частота уменьшается, а l увеличивается.

3. сентября 19, 2009 at 20:53

С точки зрения волновых представлений механизм рассеяния состоит “в раскачивании” электронов электромагнитным полем падающей волны. Колеблющийся электрон должен в свою очередь излучать электромагнитную волну, имеющую частоту, равную частоте колебаний электрона, т.е. частоте падающей волны. Таким образом, свободные электроны рассеивают излучение, причем частота рассеянных волн должна равняться частоте падающих.

4. декабря 8, 2009 at 11:14

С помощью рентгеновского спектрометра А.Комптон произвел точные измерения длины волны рентгеновских лучей, рассеянных на мишени. А.Комптон обнаружил, что излучение бывает двух сортов: у одного длина волны совпадает с длиной волны первичного излучения (пунктирная кривая), а другое обладает бульшей длиной волны (сплошная кривая). Им были установлены две особенности процесса: 1) разность длин волн рассеянного и первичного излучений не зависит от природы рассеивателя и длины волны первичного излучения; 2) при возрастании атомного номера рассеивателя интенсивность несмещенной линии возрастает, интенсивность смещенной линии падает.



10.Обратный Комптон-эффект

Если электроны, на которых рассеивается электромагнитное излучение, являются релятивистскими (то есть движутся со скоростями, близкими к скорости света), то при упругом рассеянии длина волны излучения будет уменьшаться, то есть энергия (и импульс) фотонов будет увеличиваться за счет энергии (и импульса) электронов. Это явление называют обратным К. э. Обратный К. э. часто привлекают для объяснения механизма излучения космических рентгеновских источников, образования рентгеновской компоненты фонового галактического излучения, трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.



11.Подобные работы

1. Эффект Холла

Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.

2. Магниторезистивный эффект

Магниторезистивный эффект (магнетосопротивление) -- изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Качественное объяснение эффекта. Тензор проводимости двумерного дырочного газа в магнитном поле и отрицательное магнетосопротивление.

3. Методика изучения квантовой оптики в базовой и профильной школах

Структура изучения квантовой оптики в школе. Особенности методики. Изучение вопроса о световых квантах. Внешний фотоэффект. Эффект Комптона. Фотоны. Двойственность свойств света. Применение фотоэффекта. Роль и значение раздела "Квантовая оптика".

4. Корпускулярно-волновой дуализм

Открытие явления фотоэффекта не вписывалось в рамки классической физики. Это привело к созданию квантовой механики. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света. Дифракция электронов. Применение явления корпускулярно - волнового дуализма.

5. Применение полупроводников в технике

Общие сведения о полупроводниках. Методы очистки и переплавки полупроводниковых материалов. Металлургия германия и кремния. Применение полупроводников. Тепловые сопротивления. Фотосопротивления. Термоэлементы. Холодильники и нагреватели.

6. Туннельный эффект (холодная эмиссия электронов и контактная разность потенциалов)

Прямоугольный потенциальный барьер. Туннельный эффект как квантовый переход системы через область движения, запрещённую классической механикой. Кажущаяся парадоксальность данного эффекта. Вырывание электронов из металла. Контактная разность потенциалов.

7. Аккумулирование тепла

Жидкостные тепловые аккумуляторы. Физические основы для его создания. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах. Особенности тепловых аккумуляторов с твёрдым теплоаккумулирующим материалом. Конструкция теплового аккумулятора фазового перехода.

8. Термины и единицы измерения при описании электрического тока

Единицы измерения электрического тока. Закон Ома и электрическое сопротивление. Применение Закона Ома при расчетах электрических цепей. Применение анализа цепи к модели мембраны. Свойства конденсатора в электрической цепи. Понятие электрической емкости.

9. Разработка сменного модуля для изучения резистивного соединения типа "Треугольник"

Понятие четырехполюсника, его графическое изображение, разновидности и особенности. Уравнения передачи четырехполюсников и порядок экспериментального определения их коэффициентов и входных сопротивлений. Проектирование и изготовление сменного модуля.

10. Применение компьютерных технологий

Использование электронного ресурса "Библиотека электронных наглядных пособий". Открытие программы, создание и сохранение презентации. Выбор имени для презентации, соответствующее теме. Шаблоны слайда, форматирование заголовка и просмотр презентации.

11. Действие света

Теоретические основы оптико-электронных приборов. Химическое действие света. Фотоэлектрический, магнитооптический, электрооптический эффекты света и их применение. Эффект Комптона. Эффект Рамана. Давление света. Химические действия света и его природа.

12 Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ)

Типы проводимостей полупроводников и их отличия. Преимущества гетероэпитаксиальных структур КРТ по сравнению с объемными кристаллами КРТ, выращивание. Разновидности полупроводниковых фотоприёмников. Приборы на основе КРТ: принцип действия и устройство.

13. Разработка теории радиогеохимического эффекта

Результаты экспериментального исследования радиогеохимического эффекта. Описание и способы его регистрации. Примеры экспериментального обнаружения эффекта. Уравнение неразрывности. Закон Фика. Уравнение конвективной диффузии. Химический потенциал.

14. Разработка сменного модуля для изучения соединения типа "Звезда"

Особенности соединения типа "звезда", порядок проектирования и изготовления сменного модуля для проведения лабораторных работ по его изучению. Понятие четырехполюсников и порядок определения режимов их работы, методика расчета специальных коэффициентов.

15. Изучение свойств P-N-перехода различными методами

Физика полупроводников. Примесная проводимость. Устройство и принцип действия полупроводниковых приборов. Способы экспериментального определения основных характеристик полупроводниковых приборов. Выпрямление тока. Стабилизация тока.

16. Открытие атома

Строение атома. Атом как целое. Структура атома: опыты Резерфорда, планетарная модель атома Резерфорда, квантовые постулаты Бора. Лазеры: история создания, устройство, свойства, применение лазера в ювелирной отрасли, в медицине.

17. Волновые и корпускулярные свойства света

Волновые свойства света: дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация. Опыт Юнга. Квантовые свойства света: фотоэффект, эффект Комптона. Закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта.

18. Элементарные частицы в виде корпускул и волн и модель атома

Основные принципы действия электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Движение свободных частиц. Четыре группы частиц, используемых в полупроводниковых приборах: электроны, ионы, нейтральные атомы, или молекулы, кванты электромагнитного излучения.

19. Особенности фотопроводимости монокристаллов сульфида кадмия при комбинированном возбуждении

Фотоэлектрические свойства неоднородных полупроводниковых образцов. Энергетическая структура омического контакта в присутствии неравномерно распределенных электронных ловушек. Фотоэлектрические свойства кристаллов, обработанных в газовом разряде.

20. Спектральные методы НК

Атомный и молекулярный спектральный анализ. Оптическая спектроскопия. Лазерное сканирование полупроводниковых пластин с последующим спектральным анализом люминесцентного излучения. Спектральные приборы и их принципиальная схема. Дифракционная решётка.



12.Примеры решения задач

Пример 1. В результате эффекта Комптона фотон при соударении с электроном был рассеян на угол и=90°. Энергия е' рассеянного фотона равна 0,4 МэВ. Определить энергию е фотона до рассеяния.

Решение. Для определения первичного фотона воспользуемся формулой Комптона в виде

л`-л = 2?[(2рh)/(mc)]?sin2(и/2). (1)

Формулу (1) преобразуем следующим образом: 1) выразим длины волн л' и л через энергии е' и е соответствующих фотонов, воспользовавшись соотношением е = 2рhc/л; 2) умножим числитель и знаменатель правой части формулы на с. Тогда получим

Вычисления по формуле (2) удобнее вести во внесистемных единицах. Взяв из табл. 22 значение энергии покоя электрона в мегаэлектрон-вольтах и подставив числовые данные, получим

е = 1,85 МэВ.



13.Люминесценция

Природное применение холодного свечения - люминесценция (например, свечение гнилых пней и различных живых существ) наблюдались, конечно, и первобытным человеком, но сознательное описание этих явлений и выяснение их способностей началось лишь около 400 лет назад.

Люминесценция обратила на себя внимания крупнейших естествоиспытателей XVII века: Р.Бойля, Г.Галилея и И.Ньютона; однако более 300 лет она считалась одним из наиболее «таинственных» и не объяснимых явлений природы. Это понятно, так как повсеместно применявшиеся раскалённые источники света прочно утвердили в человеческом сознании представление о неразрывной связи возникновения света с сильным нагреванием тел.

Систематические количественные исследования холодного свечения были начаты 100 лет назад трудами английского физика Э.Беккереля.

Следует отметить, что два величайших открытия конца XIX века: лучей Рентгена и радиоактивности неразрывно связаны с исследованием люминесценции.

Рентгеновские экраны для рентгенографии были одним из первых важнейших применений люминесценции для технических целей. Вскоре люминесцентные вещества стали использоваться для нанесения на экраны осциллографов. Почти одновременно, в 90-х годах прошлого столетия, свечение газов в разрядных трубках было использовано для целей декоративного освещения. С этого времени применение люминесценции в технике непрерывно возрастало, а вместе с тем быстро нарастал и темп научного исследования этих явлений.

Описание явления люминесценции мы начнём сравнением люминесценции с более привычным видом собственного излучения тел- с температурным излучением.

Естественный свет мы получаем от Солнца - раскалённого тела, поверхность которого имеет температуру около 5700 градусов Цельсия. Горящий костёр, пламя керосиновой лампы накаливания- всё это раскалённые источники света.

Однако более внимательное наблюдение явлений природы обнаруживает существование и источников холодного свечения. Вспомним о величественных северных сияниях, о свечение гнилушек в лесу, жуков и других насекомых, бактерий и различных морских животных: каракатиц, рачков, морских звёзд, некоторых рыб и т. д. Температура их светящихся органов близка к температуре окружающей среды.

Люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощённой атомами, молекулами или ионами некоторых веществ. Далеко не все вещества способны давать люминесценцию. Частицы люминесцентного вещества, поглотив энергию, приходят в особое возбужденное состояние, которое длится некоторое, обычно очень незначительное, время, возвращаясь в исходное, нормальное состояние, возбуждённые частицы отдают избыток энергии в виде света- люминесценции. Необходимую для возбуждения свечения энергию можно сообщить частицами люминесцентного вещества разными путями: можно направить на него поток световых лучей, можно достигнуть возбуждения частиц ударами электронов и т. д.

Рассмотрим теперь свечение раскалённых тел. Частицы нагретого тела обладают большой тепловой энергией, которая при их соударениях может передаваться от одной частицы к другой, а также излучаться в виде электромагнитных волн. Небольшая часть электромагнитного излучения сильно нагретого тела относится к области видимого света т может восприниматься глазом. Доля видимого света в общем, излучении тела возрастает при повышении температуры, однако при температурах, которые можно достичь в лампах накаливания, подавляющая часть электромагнитного излучения всегда приходится на невидимую часть спектра.

Существенно отметить, что температурное излучение возникает в системе огромного числа частиц, энергетическое состояние которых находиться в динамическом равновесии с электромагнитным излучением, даваемым теми же частицами: в любое мгновение столько же частиц системы даёт излучение и переходит в невозбуждённое состояние, сколько поглощает электромагнитную энергию из поля излучения приходит в возбуждённое состояние.

Условия, в которых возбуждаются и светят частицы люминесцентного вещества, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскалённого тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергии получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбуждённых частиц.

Наиболее простым способом возбуждения люминесценции является освещение люминесцентного вещества ультрафиолетовыми лучами или коротковолновыми лучами видимого света; при этом в каждый данный момент свет поглощают лишь некоторые частицы люминесцентного вещества, которое и приходят в возбуждённое состояние.

Различие между температурным излучением раскалённых тел и люминесценцией можно пояснить таким мысленным опытом. Если температурный источник света мгновенно отделить от окружающей среды описанной выше зеркальной оболочкой, то излучение внутри его объёма практически не изменяется, и он безгранично долго будет резко изменять своё состояние, и свечение более или менее быстро затухнет.

Температурное излучение дают и тела; в том числе слабое инфракрасное излучение дают и тела, находящиеся при комнатной температуре. Поэтому, строго говоря, для нахождения величины люминесценции из наблюдаемого свечения следует вычитать температурное излучение светящегося тела. Кроме того, как указал академик С.И.Вавилов, важным признаком люминесценции является её заметная длительность по -13 -15 сравнению со световыми колебаниями, имеющими период 10 - 10 сек. Свечение Люминесценции продолжается, по крайней мере, десятимиллиардную долю секунды после прекращения возбуждения, т.е. энергия, поглощённая частицами вещества, не излучается мгновенно. Этим люминесценция отличается от других видов свечения, например от излучения поверхностей, отражающих и рассеивающих свет какого-нибудь постороннего источника.

Свечение, возникающее под действием света, называется фотолюминесценцией

При фотолюминесценции вещество, поглотившее свет, обычно преобразует излучение одной длины волны в излучение другой длины волны. Например, если возбуждение производится невидимым ультрафиолетовыми лучами или синими лучами, то люминесценция может быть зелёного или красного цвета. Таким образом, люминесцирующие частицы отдают световую энергию в виде световых лучей другой, обычно большей длинны волны. Такое преобразование световой энергии внутри молекулы протекает большей частью в течение миллиардных долей секунды; однако иногда, вследствие особых свойств люминесцентной среды, этот процесс затягивается на секунды, а в особенно сложных случаях, на которых мы остановимся ниже, даже на целые часы.

Как указывалось выше, люминесценцию можно возбудить не только световыми лучами, но и ударами электронов и других быстро движущихся частиц. Таково происхождение свечения газа в разрядных трубках, которые мы часто наблюдаем в витринах магазинов. Приведённые в быстрое движение электрическим полем электроны, соударяясь с частицами газа, наполняющего трубку, приводят последнее в возбуждённое состояние. Для наполнения разрядных трубок применяются гелий, неон, аргон и пары ртути. Гелий даёт розовое свечение, неон - оранжевое, пары ртути - белое свечение, в котором особенно сильно развиты синяя, зелёная и жёлтая части спектра; аргон светит голубым светом и т. д.

Электроны и другие быстродвижущиеся заряженные частицы могут применяться для возбуждения свечения и многих твёрдых тел, в частности, специальных кристаллических порошков; их свечение, возникающее в разрядной трубке под действием потока быстрых электронов, называется катодолюминесценцией.

Существуют и другие виды возбуждения люминесценции. Так. Свечение, возбуждаемое лучами радиоактивных веществ, называется радиолюминесценцией; свечение, возникающее под действием лучей Рентгена,- рентгенолюминесценцией; свечение, наблюдаемое при химических реакциях,- хемилюминесценцией. Частным случаем хемилюминесценции является упомянутое выше свечение живых существ-биолюминесценция. Свечение, возникающее при механическом трении и раздавливании люминесцентных веществ, называется триболюминесценцией, свечение под действием приложенного электрического поля - электролюминесценцией.



14.Рентгеновские лучи

С точки зрения физики рентгеновским называется электромагнитное излучение с длинами волн от 0,001 до 50 нанометров (10-9m). Рентгеновские лучи по своей природе - близкие родственники солнечного ультрафиолета. Если солнечные лучи расположить по «росту», то самыми длинными, а точнее длинноволновыми, окажутся радиоволны. Далее следует инфракрасный свет. Мы его не видим, в отличие от некоторых животных, но можем ощущать его как тепло. Далее по степени снижения «роста» следуют известные нам еще по детской считалочке красный-оранжевый-желтый-зеленый-голубой-синий-фиолетовый. Следом идет ультрафиолет, который специалисты делят на A-, B- и C-ультрафиолет. Самый длинноволновой из них (ультрафиолет A) получил «прописку» в соляриях, где с успехом используется человеком для получения искусственного загара. Следом за ультрафиолетовым спектром электромагнитных излучений как раз и расположены рентгеновское и гамма-излучения. Они - близкие родственники с точки зрения физики и имеют достаточно широкую область перекрытия с одинаковыми длинами волн, но у них разные «родители».

Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение, т.е. образуется при ядерных превращениях, например, при распаде радиоактивного элемента. Рентгеновские же лучи не образуются непосредственно в результате ядерных превращений. Они могут быть получены двумя способами: при переходах электрона с высших (уделенных, с избытком энергии) слоев на внутренние, когда высвобождается энергия; а также при торможении заряженных частиц в веществе. Если оно получено первым способом, то такое излучение называется характеристическим. В медицинской практике такое рентгеновское излучение не используется, а потому мы от его подробного описания воздержимся.

Тормозное рентгеновское излучение и получить проще, и опыта работы с ним в медицине больше. Итак. Заряженные частицы, испытывающие торможение, испускают электромагнитное излучение. Но нам нужно не любое, а рентгеновское. Чем больше ускорение частицы (резче торможение), тем меньше длина волны на выходе. Т.е. чем большее торможение испытывают частицы, тем большим будет количество образующегося рентгеновского излучения и тем меньше будет длина его волны. На практике рентгеновское излучение получают при торможении ускоренных электронов в твердом веществе. При этом есть возможность управлять источником излучения. При отключении этого источника рентгеновские лучи исчезают, а значит, полностью снимается опасность радиационного облучения.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка. Она представляет собой электровакуумный прибор, имеющий два электрода: отрицательно заряженный катод и положительный анод. Из сильно разогретого катода происходит испарение электронов, а затем они ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом. В результате они сталкиваются с твердым веществом анода и при торможении испускают электромагнитное излучение. Примерно так же устроен кинескоп любого классического телевизора. Поэтому и рекомендуют сидеть от него подальше. Но в случае с телевизором основная часть энергии электрона тратиться на свечение экрана, а слабое мягкое рентгеновское излучение является побочным продуктом его работы.

При определенных характеристиках электрического поля и качестве вещества анода это излучение будет жестким рентгеновским, т.е. именно таким, какое требуется в рентгенкабинете. Следует обязательно отметить одну особенность. Рентгеновское излучение из рентгеновской трубки неоднородно. В нем выделяют мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Мягкое рентгеновское излучение в рентгенкабинете - «незваный гость», поэтому от него всячески избавляются специальными фильтрами. Дело в том, что оно почти полностью поглощается нашим телом, а значит от него двойной вред: во-первых, до пленки эти лучи не дойдут и не нарисуют необходимую нам картинку; во-вторых, они еще сформируют лишнюю дозовую нагрузку на организм человека.

Как же происходит процесс фокусировки лучей на пленку или экран? Звучит странно, но «никак»! В отличие от видимого света рентгеновские лучи крайне трудно фокусировать. Поэтому практическая медицина основана на получении теневого изображения просвечиваемого объекта на плоском чувствительном экране. А значит необходимо, чтобы проекция теней от органов передавалась пропорционально и без искажений. Это просто, если объект облучается пучком параллельных лучей. На практике же размер источника больше напоминает точечный, т.к. он меньше объекта исследования. Поэтому для уменьшения искажений источник располагают подальше от человека и экрана. И на расстоянии 2 метра искажения уже совсем не видны.

При распространении лучей от точечного источника (рентгеновской трубки) они могут поглощаться и рассеиваться. В воздухе путь лучей до поглощения составляет сотни метров. В плотном веществе происходит быстрое ослабление потока рентгеновских лучей. Биологические ткани человека неоднородны, а поглощение, точнее, ослабление лучей зависит, прежде всего, от плотности ткани, из которой состоит орган. Например, слой водяного пара ослабляет поток рентгеновских фотонов гораздо меньше, чем слой воды такой же толщины. Это происходит из-за того, что на единицу пути в жидкости приходится больше атомов, чем в газе. Ослабление потока рентгеновских лучей зависит так же от химического состава вещества, т.к. элементы с большими атомными номерами ослабляют излучение сильнее, чем элементы, относящиеся к началу таблицы Менделеева. В костной ткани, к тому же более плотной, содержатся вещества с большими атомными номерами, чем в мягких тканях, поэтому она значительно сильнее поглощает излучение. Различное поглощение фотонов разными тканями человеческого организма создает возможность получения контрастного изображения при фотографировании или при получении телевизионного изображения в рентгеновских лучах.

Если тело человека поместить между рентгеновской трубкой и приемником излучения (пленкой, флуоресцирующий экраном и т.д.) - то участки большего поглощения (костная и другая более плотная ткань) дадут на приемнике тень, которая будет выглядеть контрастно на фоне засвеченных сильнее участков с меньшим поглощением.

Как видите, человек в лучах рентгеновского излучения становится полупрозрачным и мы можем заметить какие органы и ткани выглядят не так, как обычно. Поэтому только рентгенологи с полной ответственностью могут сказать: «Я Вас насквозь вижу».



15.Рентгеновское излучение

Невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845-1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

В январе 1896 года над Европой и Америкой прокатился тайфун газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена.

Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей, как выяснилось позже, Берте Рентген -- жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей. Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности.

Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845--1923) родился в Леннепе, небольшом городке близ Ремшейда в Пруссии, и был единственным ребенком в семье преуспевающего торговца текстильными товарами Фридриха Конрада Рентгена и Шарлотты Констанцы (в девичестве Фровейн) Рентген.

В 1862 году Вильгельм поступил в Утрехтскую техническую школу. В 1865 году Рентгена зачислили студентом в Федеральный технологический институт в Цюрихе, поскольку он намеревался стать инженером-механиком. Через три года Вильгельм получил диплом, а еще через год защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете. После этого Рентген был назначен Кундтом первым ассистентом в лаборатории.

Получив кафедру физики в Вюрцбургском университете (Бавария), Кундт взял с собой и своего ассистента. Переход в Вюрцбург стал для Рентгена началом «интеллектуальной одиссеи». В 1872 году он вместе с Кундтом перешел в Страсбургский университет и в 1874 году начал там свою преподавательскую деятельность в качестве лектора по физике.

В 1875 году Рентген стал полным (действительным) профессором физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 году вернулся в Страсбург, чтобы приступить там к чтению курса теоретической физики.

Экспериментальные исследования, проведенные Рентгеном в Страсбурге, касались разных областей физики и, по словам его биографа Отто Глазера, снискали Рентгену репутацию «тонкого классического физика-экспериментатора». В 1879 году Рентген был назначен профессором физики Гессенского университета, в котором он оставался до 1888 года, отказавшись от предложений занять кафедру физики последовательно в университетах Иены и Утрехта. В 1888 году он возвращается в Вюрцбургский университет в качестве профессора физики и директора Физического института.

В 1894 году, когда Рентген был избран ректором университета, он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках. Вечером 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, он собрался уходить, Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается светился экран из синеродистого бария.