Он видел свет

Время прочтения: 24 минуты

Артур Холли Комптон жил в мире частиц. Его работы в области квантовой физики навсегда изменили понимание природы электромагнитной радиации, а эксперименты показали, что свет — это не только волны, но и поток частиц: фотонов. Эффект Комптона наряду с фотоэффектом доказывает правильность квантовой теории о корпускулярных и волновых свойствах природы света.

• В 1941 году Артур Комптон был назначен председателем комитета Национальной академии наук по оценке использования атомной энергии на войне. Его исследования привели к созданию первых управляемых реакторов деления урана и реакторов по производству плутония (первый в мире управляемый ядерный реактор был построен прямо под футбольным стадионом «Стагг-Филд»).
• С 1942 по 1945 год ученый был директором проекта Чикагской металлургической лаборатории, где проходила первая контролируемая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция.
• С детства Комптон увлекался астрономией, а в зрелом возрасте продолжил изучать космос и ездил в экспедиции для изучения космических лучей.
• Отец Комптона был не только профессором, но и священником. Он глубоко верил в старую поговорку «Наука и религия — одна философия» (Scientia et religio ex uno fonte).

• В 1970 году кратер на обратной стороне Луны был назван именем Артура Комптона Международным астрономическим союзом.

Артур Холли Комптон. 1892–1962. Американский физик, лауреат Нобелевской премии

Шаги к открытию

Комптон родился 10 сентября 1892 года в городе Вустер, штат Огайо. Он рос в образованной семье, где наука и знания ценились превыше всего. В детстве его отец, профессор философии и декан Вустерского колледжа, постоянно поддерживал его интересы.

В семье Комптона было четверо детей: три мальчика и девочка. Мать Отелия Кэтрин дважды получала общественное признание. В 1933 и 1939 году она была названа «Американской матерью года».

С раннего возраста Артур проявлял интерес к решению сложных задач и загадок природы.

Он увлекался механическими игрушками, коллекционировал камни и бабочек, а позже изучал астрономию. Артур проводил много времени вместе с отцом, который давал ему знания в различных науках. Отцу удалось заинтересовать сына, что привело Артура к решению стать физиком. Его увлечение исследованиями и пониманием мира через физические законы превратилось в научную карьеру, в которой он достиг значительных успехов и признания.

После школы Комптон поступил в Вустерский колледж, который окончил в 1913 году со степенью бакалавра наук. Уже в следующем году он получил степень магистра. Дальнейшие три года жизни Артур провел в аспирантуре Принстонского университета. Здесь он стремительно расширял свой кругозор, разбирая работы выдающихся ученых и философов. Он изучал математику, физику и философию. В 1916 году, после окончания университета, Комптон получил степень доктора философии (PhD) в области физики. После этого он проводил лекции и семинары сначала в Университете Миннесоты, а затем и в университете Вашингтона в Сент-Луисе в 1920 году.

После года преподавания физики Комптон провел два года в качестве физика-исследователя в Westinghouse Lamp Company в Питтсбурге, где занимался разработкой и конструированием натриевой лампы.

Дебют в карьере Комптна как исследователя случился в 1919-м. Его назначили научным сотрудником в Национальном исследовательском совете США (сейчас Национальная академия наук, техники и медицины). Тогда Артур отправился в лабораторию Резерфорда в Кембридже, где начал изучать рассеяние и поглощение гамма-лучей и рентгеновских лучей.

«Елочная» модель эффекта Комптона

Что происходит со светом, когда он попадает на атом? Он навечно исчезает? Может, снова рождается в недрах атома или вообще никак с ним не взаимодействует?

Не случайно первая глава книги Роджера Стюepa (Roger H. Stuwer) «Эффект Комптона: поворотный момент в физике» называется «Рентгеновские лучи: импульсы, частицы, волны или кванты?», ведь это было тайной и причиной многочисленных споров на протяжении трех десятилетий с момента открытия Рентгеном в 1895 году одноименных лучей.

И вот наш герой поставил точку в этом вопросе после открытия эффекта комптоновского рассеяния, более известного как эффект Комптона.

Эффект Комптона проще понять в сравнении с фотоэффектом. Излучение квантов света настолько фундаментальный и распространенный процесс во Вселенной, что благодаря ему, например, за время чтения этого предложения ваш глаз получил примерно два квадриллиона частиц света.

Атом состоит из ядра и электронов. Тут не обойтись без фантазии: представьте себе новогоднюю елку, это будет модель атома Резерфорда — Бора. Новогодние подарки у основания — это составляющие ядро атома протоны и нейтроны. Электроны можно представить в виде елочных игрушек. Как вы уже поняли, эта елка необычная: украшения на ней могут находиться только на строго определенных местах, или уровнях. Нужно добавить одного героя: мальчика, который бросает в елку комки снега и норовит сбить какое-нибудь украшение. Только снежки и озорной мальчик тоже особенные: это частицы света (кванты) и осветительный прибор, например лампа, освещающая эту страницу.

Цвет снежков связан с энергией фотона: чем ближе к красному, тем энергия ниже, а чем ближе к фиолетовому, тем выше. Фотоэффект происходит с частицей света небольшой энергии, поэтому цвет снежка либо зеленый, либо красный. Эффект Комптона, напротив, связан с более мощным излучением — рентгеновским, поэтому изображается условно фиолетовым.

Теперь о наших эффектах. Если озорник попадет красным снежком в какую-нибудь игрушку, то она поднимется на уровень выше на елке — это поглощение кванта света, или внутренний фотоэффект.

При этом атом переходит в возбужденное состояние с более высокой энергией. А что такое внешний фотоэффект? Это если мальчик бросит зеленый снежок с чуть большей энергией, чтобы полностью сбить игрушку с елки. Здесь вся энергия частицы тратится на вырывание электрона.

Эффект Комптона или неупругое рассеяние произойдет, если мальчик окажется настолько сильным, что сможет поднять и бросить фиолетовый снежок.

Тогда он собьет игрушку и продолжит свой полет, но уже с другим цветом и в другом направлении.

Рассеяние называется неупругим, потому что после столкновения с электроном квант света теряет часть своей энергии. Поэтому и меняется цвет.

в 1922 году Артур Комптон открыл этот эффект, а в 1923-м вышла его работа «Квантовая теория рассеяния рентгеновских лучей легкими элемен-тами». В ней он вывел математическую связь между изменением энергии частиц и углом рассеяния рентгеновских лучей, предположив, что каждый рассеянный рентгеновский фотон взаимодействует только с одним электроном. Раньше было принято, что свет — это волна, но открытие ученого доказывало, что свет имеет как корпускулярную (квантовую), так и волновую природу. То есть Альберт Эйнштейн, Макс Планк и Нильс Бор были правы. Эффект Комптона радикально изменил представление о свете со времен Юнга и Френеля и стал ключом к созданию современной квантовой теории, совершив революцию в физике.

Это удивительно: фотону требуется много энергии, чтобы после высвобождения электрона самому не быть поглощенным этим атомом, однако у него все получается. Нам тоже нужно постоянно наполнять себя истинным светом, и тогда никакие жизненные трудности не смогут сбить нас с пути. 

Иллюстратор: Анастасия Карандашева

Фото: wikipedia.org* — ресурс может быть связан с ресурсом, деятельность которого связана с деятельностью иноагента. Фото на обложке: unsplash.com