Przeczytaj
Warto przeczytać
Badanie rozpraszania promieniowania rentgenowskiego na elektronach przyniosło przewrót w rozumieniu natury promieniowania elektromagnetycznego. Okazało się, że długość fali promieniowania rozproszonego zmienia się w zależności od kąta rozproszenia. Im większa jest zmiana kierunku ruchu promieniowania rozproszonego, tym większy jest przyrost długości fali. Nie można tego w żaden sposób wyjaśnić falową teorią promieniowania. Wyjaśnienie podał amerykański fizyk, Arthur Compton, który opisał rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na elektronach jako zderzenie dwóch cząstek – fotonu i elektronu (Rys. 1.). W zderzeniu zachowane są całkowita energia i całkowity pęd. Zjawisko to znane jest obecnie jako zjawisko Comptona.
Compton potraktował promieniowanie rentgenowskie jako cząstki (fotony) o energii:
oraz pędzie:
gdzie = 6,6 · 10Indeks górny -34-34 J·s jest stałą Plancka, – częstotliwością fali, – długością fali, = 3 · 10Indeks górny 88 m/s – prędkością światła.
Foton uderzający w elektron przekazuje mu część swojej energii. Zderzenie przebiega podobnie, jak zderzenie dwóch kul bilardowych (Rys. 1.). Po zderzeniu elektron porusza się z energią kinetyczną , a foton z mniejszą od początkowej energią i zmienia swój kierunek ruchu. Jeśli długość fali promieniowania padającego wynosi , a promieniowania rozproszonego ’, to zasadę zachowania energii wyraża równanie:
Energia fotonu rozproszonego jest mniejsza niż przed zderzeniem, dlatego długość fali jest większa (). Zastosowanie zasady zachowania pędu i energii do tego zderzenia pozwala wyprowadzić wzór na długość fali rozproszonego promieniowania doskonale zgodny z doświadczeniem.
Emisja promieniowania elektromagnetycznego przez atom zachodzi wtedy, gdy atom znajduje się w stanie wzbudzonymstanie wzbudzonym. Oznacza to, że jeden z jego elektronów znalazł się na wyższym poziomie energetycznym. Powracając na poziom niższy, elektron zmniejsza swoją energię. Nadmiar energii emitowany jest w postaci fotonu o energii dokładnie równej różnicy energii między tymi poziomami.
W procesie tym zachowana jest całkowita energia, ale również całkowity pęd układu. Foton o długości fali unosi pęd o wartości:
Atom musi więc otrzymać pęd o tej samej wartości, ale przeciwnie skierowany, aby całkowity pęd wynosił zero, jak przed emisją fotonu (Rys. 2.).
Gdy atom absorbuje foton, przechodzi do stanu wzbudzonego. I w tym zjawisku musi być zachowany całkowity pęd. Przed absorbcją foton niósł pęd . Po absorpcji fotonu już nie ma, a jego pęd przejął atom (Rys. 3.).
Obliczmy prędkość, z jaką porusza się atom wodoru, gdy wyemituje foton o energii =10,2 eVeV. Należy przyrównać wartość pędu fotonu i atomu , gdzie = 1,67 · 10Indeks górny -27-27 kg to masa atomu wodoru, a – jego prędkość.
Mnożymy obie strony przez prędkość światła :
Po lewej stronie mamy teraz energię fotonu , więc
Zanim wstawimy wartości liczbowe do wzoru, trzeba zamienić jednostkę energii fotonu z elektronowoltów na dżule:
Atom, na skutek odrzutu, po wyemitowaniu fotonu porusza się z prędkością 3,3 m/s - całkiem szybko, jeśli weźmiemy pod uwagę, że spowodował to niepozorny foton!
Słowniczek
(ang. electronvolt) – jednostka energii spoza układu SI, używana w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt. 1 eV = 1,602 · 10Indeks górny -19-19 J.
– (ang. excited state) – stan energetyczny atomu wyższy niż podstawowy, czyli taki, w którym elektron przeszedł na wyższą orbitę i zyskał energię dzięki absorpcji promieniowania albo zderzeniu z innym atomem.