Második sorozat 1923. November 22. Évf., 5. Szám

The Physical Review

A szórt röntgen sugarak spektruma¹

Írta: Arthur H. Compton

Fordította: Horváth Anita geofizikus hallgató (2000)

Az elmélet

A grafiton 45°, 90° és 135° fokos szögben szórt molibdén K_a sugarak spektrumát összehasonlítottam össze az eredeti sugárral. Az eredeti sugár szórás után két sávra bomlik fel, az egyik a változatlan, melynek a hullámhossza nem módosul, és a megváltozott hullám, aminek a hullámhossza nagyobb, mint az eredeti sugárnak. A megengedett 0,001 A hibán belül a hullámhosszok közötti eltérés (l-l₀) egyre nő a szórt és az eredeti sugár közötti Q szög növekedésével, a (l-l₀)=l(1-cosQ) kvantum egyenlőségnek megfelelően, ahol l=h/mc=0,0242 A. Ezt a hullámhossz változást az elnyelődés mérése is alá támasztotta. A módosult hullám nem tűnt olyan homogénnek, mint az változatlan hullám, és kis szögekben kisebb, nagyobb szögekben viszont nagyobb az intenzitása, mint a változatlan hullámnak.

Kis átmérőjű röntgen sugár vízhűtött gyűjtővel kerül bemutatásra, ami alkalmas intenzív röntgen sugár előállítására.

A szerző már korábban ismertetett egy elvet a röntgen sugár szóródásáról, azt véve alapul, hogy a röntgen sugár minden kvantuma egy külön elektronon szóródik. ^{2, 3} A szóró elektron visszalökődése a röntgen kvantum nyomatékának változása és az eltérítés miatt csökkenti az energiáját, és ezáltal a frekvenciáját is a kvantumsugárzásnak. A szórás miatti hullámhossz növekedése a röntgen sugárnak az

l-l₀=g(1-cosQ) (1)

egyenletnek megfelelőn adódott, ahol l a l₀ hullámhosszú eredeti sugárral Q szöget bezáró szórt hullám hullámhossza, és

g=h/mc=0,0242 A

ahol h a Plank állandó, m az elektron tömeg, c pedig a fénysebesség. E cikk célja az eddigieknél pontosabb kísérleti eredmények bemutatása a szórt röntgen sugár hullámhosszváltozását illetően.

A mérés felszerelése és módja

A hullámhosszváltozás kvantitatív mérésének céljából egyértelmű volt a spektroszkópikus módszer alkalmazása. A szórt röntgen sugarak aránylag alacsony intenzitása miatt a felszerelést úgy kellett megtervezni, hogy az megfeleljen a mérendő hullámhosszú sugár maximum intenzitásának. A mérés összeállítása vázlatosan az 1. ábrán látható. A sugarak a röntgencső T molibdén táblájáról érkeznek, és az 1-es és 2-es réssel egyvonalban elhelyezett R grafit szóró tömb felé tartnak. Az alkalmasan elhelyezett ólom diafragma meggátolja az eltévedt sugarakat abban, hogy elhagyják a röntgencsövet körülvevő ólom dobozt. Mivel az 1-es rés és a diafragma egy szigetelő alaphoz vannak rögzítve, a röntgencsövet az átlyukaszás veszélye nélkül közelebb lehetett helyezni a réshez. A miután a röntgen sugár áthaladt a réseken, az ismert Bragg spektrométeres módszerrel mérjük.

1. ábra. A szórt röntgen sugár hullámhosszának mérése

A röntgen sugár cső különleges tervezésű volt. A víz által hűtött tábla egy keskeny üveg csőbe volt helyezve, amit azt a 2. ábra is mutatja, a lehető legkisebbre csökkentve a távolságot a T tábla, és az R sugárzó között. A kísérletekben használt hossz 2 cm. 1,5 kw-ot kapcsolva a röntgen sugárra, a sugárzót elérő sugarak intenzitása 125-ször nagyobb volt az átlagos molibdén táblás Coolidge csőnél. Az röntgencsőhöz való elektródákat a General Electric Company szolgáltatta.

A végső kísérleteknél a rések közti távolság 18 cm körüli, hosszuk 2 cm és a szélességük 0,01 cm. Kalcit kristály használata lehetővé tette a nagyon jó felbontást, már az első rendű spektrumban is.

2. ábra. Röntgencső

A szórt molibdén sugarak spektruma. Két különböző méretű réssel végzett kísérletek mérési eredményeit a 2. és a 3. ábra mutatja. Az A görbe a Ka vonalspektrumát mutatja, a B, C és a D pedig az eredeti sugárral 45°, 90° és a 135°-ot bezárva szórt sugarat.

Mivel a 4. ábra mérési eredményei egy kicsit rendezetlenek, meg kell hogy jegyezzük, hogy ebben az esetben a röntgen sugár intenzitása csak a 1/25,000-szerese mintha az eredeti sugár spektrumát vizsgálnánk, tehát kis eltérésnek is nagy következménye van.

Jól látható ezekről a görbékről, hogy homogén röntgen sugár grafiton való szórásakor a sugár két jól elhatárolható részre bonlik, az egyik hullámhossza megegyezik az eredeti nyalábéval, a másik hullámhossza pedig megnőtt. Hívjuk őket ezután csak változatlan és módosult sugárnak. Mindegyik görbén a P vonal az elsődleges sugarat ábrázoló görbe csúcsait köti össze, a T vonal pedig az (1) egyenletben meghatározott szöget jelöli, ahol a szórt sugárnak meg kellene jelenni. A gondosabban felállított kísérlet eredményeit mutató 4. ábrán, ahol a mérési hiba kisebb, mint 1 szögmásodperc, azaz 0,001 A, a változatlan sugár csúcsa pontosan a P egyenesre esik, a módosult sugáré pedig a T-re. A módosult sugár hullámhossza nő a szórási szöggel amint azt a kvantum elvi is megjósolta, míg a változatlan sugár hullámhossza a klasszikus elméletnek tesz eleget.

Jól meghatározható különbség van a változatlan és a módosult sugár szélessége között. A változatlan sugár szélessége megfelel annak, hogy az R grafit szóróközeg meglehetősen nagy szögben látszik a T tábláról, tehát a szög, melyben sugarak szóródnak a spektrométer kristályra, az nagy, jól észlelhető tartományban változhat. Amennyire meg tudtam becsülni, ennek a módosult sugárnak a közepén ennek a hatásnak megfelelően a 4. ábrán a T betű feletti két kis vonallal jelöltem. Ez nem jelenik meg, bár ez a geometriai megfontolás elégséges magyarázat az egész szélesség növekedésre a módosult sugárban, vagy legalább a 135°-ban szórtra. Valószínűbbnek tűnik, hogy a módosult sugár az heterogén, még a meghatározott szögben szórt sugár esetében is.

A változatlan sugár az általában jobban látszik a szórt nyalábban, mely kisebb szöget zár be az elsődleges nyalábbal, és a módosult sugár meghatározóbb, ha ez a szög nagy. A változatlan sugár egy része kétségtelenül az általános reflexiónak tesz eleget a pici kristályokról, melyek a grafitot alkotják. Ha ez lenne ez egyetlen oka a változatlan sugár létezésének, akkor az intenzitásának gyorsabb csökkenését várhatnánk el a nagy szögeknél, mint ez valójában megfigyelhető. Az két sugár közötti energia elosztását meghatározó tényezők azonosak azokkal, amik meghatározzák, hogy egy röntgen sugár az egyszerű kvantum elméletnek engedelmeskedik, vagy máshogy viselkedik. Megvizsgáltam ezt a elosztást kísérletileg is más módszerekkel, és az eredményeket majd egy következő cikkemben fogom közölni⁴, de meglehetősen elgondolkodtató okok határozzák ezt meg.

Kisebb hullámhosszokkal végzett kísérletek

Ezek a kísérleteket l=0,711 ?-ös hullámhosszal végeztük el. Ebben az esetben a módosult sugár hullámhossz változása, ami a szórási szög növekedésével egyre nő, pontosan úgy viselkedik, mint azt az (1) egyenlet megjósolta. Bár ezek a kísérletek következetesnek tűnnek, mégis a bizonyítékok teljesebbek lennének, ha hasonló kísérleteket más hullámhosszon is végeztünk volna. Már végeztünk előzetes kísérleteket, melyek hasonlóak az itt leírtakhoz, ahol K szóróközeget használtunk volfrámból, 0,2 A hullámhosszal. Ez hasonló nagyságrendű változást mutatott a hullámhosszban, mint a K_a molibdén használatakor. Ezután, mint azt már előbbi cikkben⁵ is leírtam az elnyelődés mérése megerősítette ezeket az eredményeket, a hullámhossz nagyságrend egy nagyon széles tartományában. Ez a kielégítő megegyezés a kísérlet és az elmélet között biztosan igazolja az (1) kvantum formulát a szórás okozta hullámhossz változást illetően. Nincs jel ellentmondásra a vizsgált hullámhossz tartományban e formula használatakor a módosult sugár hullámhosszának megállapítására.

WASHINGTON UNIVERSITY,

SAINT LOUIS,

1923. Május 9.

¹ E munka leírását már olvashattunk az American Physical Society, 1923. Ápr. 21-i számában. (Phys. Rev. 21, 715, 1923).

² A.H. Compton, Bull. Res. Coun., 20. szám, 18.old (1922. Okt.) ; Phys. Rev. 21, 207 (abstract) ( 1923. Febr.); Phys. Rev. 21, 483 ( 1923. Május).

³ P. Debye , Phys. Zietschr. 24, 161 (1923. Ápr. 15.).

⁴ A. H. Compton, Phil. Mag. (már nyomdában).

⁵ A. H. Compton, Phys. Rev. 21, 494-6 old. (1923).