К о мптона еф е кт, Комптон-ефект, пружне розсіяння електромагнітного випромінювання на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі; спостерігається при розсіянні випромінювання малих довжин хвиль - рентгенівського і гамма-випромінювання . В До. вперше у всій повноті проявилися корпускулярні властивості випромінювання.
К. е. відкритий в 1922 американським фізиком А. Комптоном , Який виявив, що розсіяні в парафіні рентгенівські промені мають велику довжину хвилі, ніж падаючі. Класична теорія не могла пояснити такого зрушення довжини хвилі. Дійсно, згідно з класичною електродинаміки , Під дією періодичного електричного поля електромагнітної (світловий) хвилі електрон повинен коливатися з частотою, рівній частоті поля, і, отже, випромінювати вторинні (розсіяні) хвилі тієї ж частоти. Таким чином, при «класичному» розсіянні (теорія якого була дана англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і яке тому називають «томсоновскім») довжина світлової хвилі не змінюється.
Первісна теорія К. е. на основі квантових уявлень була дана А. Комптоном і незалежно П. Дебаєм . За квантової теорії світлова хвиля являє собою потік світлових квантів - фотонів. Кожен фотон має певну енергію E g = hu = hcl l і імпульс p g = (h / l) n, де l - довжина хвилі падаючого світла (u - його частота), с - швидкість світла, h - постійна Планка, а n - одиничний вектор у напрямку поширення хвилі (індекс у означає фотон). К. е. в квантової теорії виглядає як пружне зіткнення двох частинок - налітає фотона і покоїться електрона. У кожному такому акті зіткнення дотримуються закони збереження енергії і імпульсу. Фотон, зіткнувшись з електроном, передає йому частину своєї енергії і імпульсу і змінює напрямок руху (розсіюється); зменшення енергії фотона і означає збільшення довжини хвилі розсіяного світла. Електрон, раніше покоївся, отримує від фотона енергію і імпульс і приходить в рух - випробовує віддачу. Напрямок руху частинок після зіткнення, а також їх енергії визначаються законами збереження енергії та імпульсу (рис. 1).
Спільне рішення рівнянь, що виражають рівності сумарної енергії і сумарного імпульсу часток до і після зіткнення (в припущенні, що електрон до зіткнення покоївся), дає для зрушення довжини світлової хвилі Dl формулу Комптона:
Dl = l '- l = l про (1-cos J).
Тут l '- довжина хвилі розсіяного світла, J - кут розсіяння фотона, а l 0 = h / mc = 2,426 · 10-10 см = 0,024 Е - так звана комптонівська довжина хвилі електрона (т - маса електрона). З формули Комптона слід, що зрушення довжини хвилі Dl не залежить від самої довжини хвилі падаючого світла l. Він визначається лише кутом розсіяння фотона J і максимальний при J = 180 °, т. Е. При розсіянні назад: Dl макс. = 2 l 0.
З тих же рівнянь можна отримати вирази для енергії E e електрона віддачі ( «комптонівського» електрона) в залежності від кута його вильоту j. На графічно представлена залежність енергії розсіяного фотона 
від кута розсіювання J, а також пов'язана з нею залежність E e від j. З малюнка видно, що електрони віддачі завжди мають складову швидкості у напрямку руху падаючого фотона (т. Е. J не перевищує 90 °).
Досвід підтвердив всі теоретичні передбачення. Таким чином, була експериментально доведена правильність корпускулярних уявлень про механізм До. і тим самим правильність вихідних положень квантової теорії.
У реальних дослідах з розсіювання фотонів речовиною електрони не вільні, а пов'язані в атомах. Якщо фотони володіють великою енергією в порівнянні з енергією зв'язку електронів в атомі (фотони рентгенівського і g-випромінювання), то електрони відчувають настільки сильну віддачу, що виявляються вибитими з атома. В цьому випадку розсіювання фотонів відбувається як на вільних електронах. Якщо ж енергія фотона недостатня для того, щоб вирвати електрон з атома, то фотон обмінюється енергією і імпульсом з атомом в цілому. Так як маса атома дуже велика (в порівнянні з еквівалентною масою фотона, рівною, згідно відносності теорії , E g / с 2), то віддача практично відсутня; тому розсіювання фотона станеться без зміни його енергії, тобто без зміни довжини хвилі (як кажуть когерентно). У важких атомах слабо пов'язані лише периферичні електрони (на відміну від електронів, що заповнюють внутрішні оболонки атома) і тому в спектрі розсіяного випромінювання присутня як зміщена, комптонівська лінія від розсіяння на периферичних електронах, так і не зміщена, когерентна лінія від розсіяння на атомі в цілому . Зі збільшенням атомного номера елемента (тобто заряду ядра) енергія зв'язку електронів збільшується, і відносна інтенсивність комптонівської лінії падає, а когерентної лінії - зростає.
Рух електронів в атомах приводить до розширення комптонівської лінії розсіяного випромінювання. Це пояснюється тим, що для рухомих електронів довжина хвилі падаючого світла здається дещо зміненій, причому величина зміни залежить від величини і напряму швидкості руху електрона (див. Доплера ефект ). Ретельні вимірювання розподілу інтенсивності усередині комптонівської лінії, що відображає розподіл електронів розсіює речовини за швидкостями, підтвердили правильність квантової теорії, згідно з якою електрони підкоряються Фермі - Дірака статистикою .
Розглянута спрощена теорія До. не дозволяє обчислити всі характеристики комптонівського розсіювання, зокрема інтенсивність розсіяння фотонів під різними кутами. Повну теорію До. дає квантова електродинаміка . Інтенсивність комптонівського розсіювання залежить як від кута розсіювання, так і від довжини хвилі падаючого випромінювання. У кутовому розподілі розсіяних фотонів спостерігається асиметрія: більше фотонів розсіюється у напрямку вперед, причому ця асиметрія збільшується з енергією падаючих фотонів. Повна інтенсивність комптонівського розсіяння зменшується із зростанням енергії первинних фотонів; це означає, що ймовірність комптонівського розсіювання фотона, що пролітає через речовину, убуває з його енергією. Така залежність інтенсивності від E g визначає місце До. серед інших ефектів взаємодії випромінювання з речовиною, відповідальних за втрати енергії фотонами при їх прольоті через речовину. Наприклад, в свинці (у статті Гамма-випромінювання ) До. дає головний вклад в енергетичні втрати фотонів при енергіях порядку 1-10 МеВ (в легшому елементі - алюмінії - цей діапазон становить 0,1-30 МеВ); нижче цієї області з ним успішно конкурує фотоефект , А вище - народження пар (див. Анігіляція і народження пар ).
Комптонівське розсіювання широко використовується в дослідженнях g-випромінювання ядер, а також лежить в основі принципу дії деяких гамма-спектрометрів .
К. е. можливий не тільки на електронах, але і на інших заряджених частинках, наприклад на протонах, але через велику маси протона віддача його помітна лише при розсіянні фотонів дуже високої енергії.
Подвійний К. е. - утворення двох розсіяних фотонів замість одного первинного при його розсіянні на вільному електроні. Існування такого процесу випливає з квантової електродинаміки; вперше він спостерігався в 1952. Його вірогідність приблизно в 100 разів менше вірогідності звичайного До.
Зворотний Комптон-ефект. Якщо електрони, на яких розсіюється електромагнітне випромінювання, є релятивістськими (тобто рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла), то при пружному розсіянні довжина хвилі випромінювання буде зменшуватися, тобто енергія (і імпульс) фотонів буде збільшуватися за рахунок енергії (і імпульсу ) електронів. Це явище називають зворотним До. Зворотний До. часто залучають для пояснення механізму випромінювання космічних рентгенівських джерел, утворення рентгенівської компоненти фонового галактичного випромінювання, трансформації плазмових хвиль в електромагнітні хвилі високої частоти.
Літ .: Борн М., Атомна фізика, пров. з англ .. 3 вид., М., 1970; Гайтлер В., Квантова теорія випромінювання, [пер. з англ.], М., 1956.
В. П. Павлов.
Мал. 3. Графік залежності повної інтенсивності комптонівського розсіювання s від енергії фотона E g (в одиницях повної інтенсивності классич. Розсіювання); стрілкою вказана енергія, при якій починається народження електрон-позитронного пар.
Мал. 1. Пружне зіткнення фотона і електрона в Комптона ефекті. До зіткнення електрон покоївся; p n і p n '- налітає і розсіяного фотонів, 
- імпульс віддачі (n 
- його швидкість), розсіювання фотона, J - кут вильоту електрона віддачі відносно напряму падаючого фотона.
Мал. 2. Залежність енергії розсіяного фотона E 'g від кута розсіяння J (для зручності змальована лише верхня половина симетричною кривою) і енергії електрона віддачі E e від кута вильоту j (нижня половина кривої). Величини, що відносяться до одного акту розсіяння, позначені однаковими цифрами. Вектори, проведені з точки О, в якій сталося зіткнення фотона енергії E g з електроном, що покоїться, до відповідних точок цих кривих, змальовують стан часток після розсіювання: величини векторів дають енергію частинок, а кути, які утворюють вектори з напрямком падаючого фотона, визначають кут розсіювання фотона J і кут вильоту електрона віддачі j. (Графік викреслений для випадку розсіяння «жорстких» рентгенівських променів з довжиною хвилі hc / E g = l 0 = 0,024 & ARING;.
