427
(напр., смесь паров Н2, О2, Н2О). Термодинамика многокомпонентных, многофазных систем была разработана Дж. У. Гиббсом (J. W. Gibbs) в 1902.
Лит. См, при СТ. Термодинамика. Д. Н. Зубарев.
КОМПТОНА ЭФФЕКТ (комптон-эффект, комптонов-ское рассеяние) ≈ рассеяние эл.-магн. волны на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты. Эффект наблюдается для больших частот рассеиваемого эл.-магн. излучения (в рентг. области и выше). Он проявлялся уже в первых опытах по рассеянию рентг. лучей на свободных электронах, но впервые с требуемой тщательностью был научен А. Комп-тоном (A. Compton) в 1922≈23. Исторически К, э. явился одним иа гл. свидетельств в пользу корпускулярной природы эл.-магн. излучения (ь частности, света). С точки зрения классич. электродинамики рассеяние с изменением частоты невозможно.
Элементарная теория эффекта была дана А. Комп-тоном и независимо от него П. Дебаем (P. Debye) на основе представления о том, что рентг. излучение состоит из фотонов. Для объяснения эффекта приходилось предположить, что фотон обладает как энергией e=uv, так и импульсом р= (k/X)n (здесь
v и A,≈c/v ≈ частота и длина волны света, п ≈ единичный вектор в направлении распространения волны).
Комптон рассмотрел упругое рассеяние фотона на свободном покоящемся электроне (что является хорошим приближением для рассеяния фотонов рентг. лучей на атомных электронах л╦гких атомов). При рассеянии фотон переда╦т электрону часть энергии и импульса, что соответствует уменьшению частоты (увеличению длины волны) рассеиваемого света. Из законов сохранения энергии и импульса он получил ф-лу для сдвига длины волны:
= V ≈ X = JL-<1 ≈ cosfl), (*)
К. э. является одним из осн. механизмов, определяющих потери энергии при прохождении у-излучения через вещество. Абс. сечение К. э., а также его соотношение с сечениями фотоэффекта и рождения пар электрон-позитрон в реальных веществах сильно зависят от ат. номера Z. На рис. 2 показано соотношение указанных процессов в свинце. В пределе нулевых частот полное сечение К. а. на отд. электроне переходит в сечение классич. (томсоновского) рассеяния <тт~8/я'Яго, где г0=еа/7ПеС2;=2,8 .Ю~1а см ≈ т. н. классич. радиус электрона. При этом ат~6,65х Х10~2Б см2. Как видно из рис. 2, при энергиях е в интервале 0,5≈5 МэВ К. э. да╦т осн. вклад в потери
Рис. 2. Зависимость полного сечения а в свинце от энергии фотона в единицах энергии покоя электрона тес* для Коми-
тона эффекта U), фотоэффекта (2), рождения пар е + е~ (3); по оси ординат отложена величина линейного поглощения фотонов И≈Лго (JV ≈ концентрация ато-мов вещества).
I 10 100 Av/«ec2
энергии фотонами в свинце (в воздухе соответствующий интервал составляет 0,1 ≈ 20 МэВ).
Если электрон, на к-ром рассеивается фотон, не покоится, а является ультрарелятивистским с энергией #>е , то при столкновении электрон теряет,
а фотон приобретает энергию и длина волны света при столкновении уменьшается (частота увеличивается) . Такое явление наз. обратным комптон-эффектом. Если направлении скоростей нач. фотонов распределены изотропно, то ср, энергия рас-
где V У ≈ длины волн до и после рассеяния, Ф ≈ угол рассеяния, те ≈ масса электрона. Параметр h/mcc наз. комптоиовской длиной волны электрона и равен 2,4'10~Д|> см. Из кинематики процесса легко также определить энергию и импульс электрона отдачи.
Поскольку ф-да (*) основана только на кинематич. соображениях, она оказывается справедливой н в точной теории. Из не╦ следует, что относит, изменение длины волны ДХ/Х велико только для коротких длин волн, когда K<ih/mec.
Данная Комптон ом упрощ╦нная теория эффекта не позволяет определить все характеристики компто-новского рассеяния, в частности зависимость иниш-
Рис. 1. Диаграммы Фейнмана длн Комптона эффекта: е, v и е'. Т' ≈ электрон и фотон соответственно d начальном и конечном состояниях; е* ≈ виртуальный электрон в промежуточном е состоянии.
сивности рассеяния от ф и X. Точная релятивистская теория К. э. была сформулирована в рамках квантовой электродинамики (КЭД). Во втором порядке теории возмущений К. э, в КЭД описывается двумя Фейнмана диаграммами, изображ╦нными на рис. 1. Вычисление по этим диаграммам (с использованием Дирака уравнения для электрона) .дифферснц. сечения Н.э. приводит к Клейна ≈ Нишины формуле, хорошо согласующейся с опытом.
Для К. э. при высоких анергиях характерна острая направленность рассеянного излучения по направлению первичного фотона; с ростом энергии фотонов эта угл. асимметрия увеличивается. Полное эфф. сечение комптоновского рассеяния (полученное интегрированием по углам ф-лы Клейна ≈ Нишины) падает с увеличением е (рис. 2).
сеянных фотонов Б.,
V*
ляется соотношением
EV.
при обратном К. э. о преде-
о
с О
К
Обратный К. э. является гл. механизмом потерь энергии электронами, движущимися в маги, поле космич. радиоисточников. Он является также причиной возпикновения изотропного ронтг. космич. излучения с энергией е»50≈100 кэВ, представляющего
собой фотоны отдачи ири рассеянии релятивистских электронов на изотропном микроволновом космич. фоновом излучении.
В процессе рассеяния электрон может поглотить один, а излучить в конечном состоянии не один (как в случае обычного К. э.}, а два фотона. Это явлешн1 наз. двойным комптон-эффектом. Оно было теоретически исследовано В. Гайтлером (W. Hcit-ler) и Л. Нордхеймом (L. Nordheim) в 1934. Возможен также процесс я-кратного К. э., когда в конечном состоянии излучается п фотонов. Его сечение, вообще говоря, подавлено фактором (Vis?)'1"1. Но в случае, когда излучаемые фотоны являются мягкими и непосредственно не регистрируются, такой процесс неотличим от обычного К. э. п имеет большое сечение. Поэтому уч╦т поправок от га-кратного К, э. важен для интерпретации данных по обычному К. э.
Если К. э. происходит во внеш. поле интенсивной эл.-магн, волны [где в каждом Конечном интервале частоты (v, v+ Av) содержится много фотонов], то возможен процесс, в к-ром происходит как поглощение из внеш. поля, так и испускание электроном большого числа фотонов. Такой процесс является сложной ф-цией напряж╦нности внеш. электрич. поля Е и наз. нелинейным ко ми тон-эффектом. Он происходит с заметной вероятностью при Е^131Еп.
л ~ ' -L ± "^^ v *
где £0 имеет масштаб полей на электронной орбите .. атома водорода. Такие напряж╦нности электрич. поля 431
