Комптон Артур

Будущий замечательный американский физик-экспериментатор родился немногим раньше, чем в физику вошло слово «квант»: для объяснения законов теплового излучения, как показал Макс Планк, пришлось допустить, что электромагнитные лучи уносят энергию порциями — квантами. Комптон окончил Вустерский колледж в год рождения квантовой модели атома Бора — Резерфорда и поступил в Принстонский университет в следующем году, когда опыты Джеймса Франка и Густава Людвига Герца доказали, что атомы и поглощают энергию только определенными порциями, как то и утверждал Бор. А еще раньше, в 1905 А. Эйнштейн убедительно показал, что для объяснения законов фотоэффекта приходится признать, что и поглощение излучения происходит все теми же квантами. Идея дискретности была органически чужда классическому представлению об электромагнитном излучении. И поэтому у сторонников классической физики оставалась всего лишь одна надежда: пусть и испускание, и поглощение происходит порциями, но, может быть, хотя бы распространение излучения происходит по волновым законам! Опыты, которые задумал тридцатилетний Артур Комптон и должны были проверить это.

Картина рассеяния электромагнитного излучения на электронах в классической теории выглядит так: электромагнитная волна налетает на несущую электрический заряд материальную точку — электрон; электрическое поле волны заставляет заряженную частицу колебаться, причем частота этих вынужденных колебаний равна частоте волны; колеблющийся электрон сам становится излучателем — от него расходятся «вторичные» электромагнитные волны, и при этом их частота равна частоте колебаний электрона. Таким образом, из классической теории однозначно следует, что частота электромагнитных волн при их рассеянии на свободных электронах не меняется. Именно это и вознамерился проверить Комптон. Брать в качестве мишени покоящиеся свободные электроны было технически трудно, да и излишне. Вполне подходили и обычные электроны в атомах, но только излучение требовалось такое, чтобы энергия каждого кванта была значительно больше энергии связи электрона в атоме: тогда этой связью можно было попросту пренебречь. Вполне подходили рентгеновские лучи. Их рассеяние на атомах вещества и исследовал Комптон.

Результаты оказались иными, чем предсказывала классическая теория: частота рассеянных лучей была меньше, чем у падающих, причем эта разница оказывалась тем значительнее, чем на больший угол происходило рассеяние. Этот результат, не вписывающийся в классическую картину рассеяния, находил немедленное простое объяснение, стоило принять, что излучение состоит из порций, каждая из которых несет не только энергию, но и импульс. При рассеянии каждого кванта электрон может «отобрать» у кванта излучения часть его импульса, («отдача») а, значит, и энергии; поскольку же, согласно теории квантов, энергия пропорциональна частоте, то это и объясняет наблюдавшееся Комптоном ее уменьшение. За этот эксперимент (для которого потребовалось разработать и новый метод определения длины волны рентгеновского излучения) и за его теоретическое объяснение Артур Комптон был удостоен в 1922 Нобелевской премии. Комптон выполнил также и другие важные исследования: наблюдал полное внутреннее отражение рентгеновских лучей, в 1921 пришел к догадке о спине, был одним из тех, кто обнаружил широтный эффект космических лучей и наличие в них заряженных частиц.

Артур Комптон в 1920-23 гг. был профессором университета Дж. Вашингтона в Сент-Луисе, потом 22 года проработал в университете в Чикаго, а затем вернулся (в качестве ректора университета) в Сент-Луис. В годы Второй мировой войны возглавлял Металлургическую лабораторию. В 1941 возглавил комитет НАСА по изучению военных аспектов ядерной физики.

Являлся членом многих академий и удостоен ряда престижных наград.

Автор: В.И. Григорьев