Коротко — почему Комптон подтверждает корпускулярность, и как это расширяется другими опытами.
1) Почему эффект Комптона подтверждает корпускулярные свойства света
- В эксперименте Комптона рентгеновские фотоны рассеиваются на (приблизительно) свободных электронах; наблюдается изменение длины волны падающего излучения, зависящее от угла рассеяния.
- Если считать фотон квантовым «пакетом» энергии и импульса, с $E=h\nu$ и импульсом
$$p=\frac{h\nu }{c}=\frac{h}{\lambda },$$ и применить законы сохранения энергии и импульса при упругом столкновении фотона и электрона, получаем формулу Комптона
$$\Delta \lambda ={\lambda }^{\prime }-\lambda =\frac{h}{m_{e}c}(1-\cos \theta ),$$ где $m_e$ — масса электрона, $\theta$ — угол рассеяния.
- Классическая волновая теория электромагнитного поля (Томсон-рассеяние) может объяснить изменение интенсивности и поляризации, но не приводит к угловой сдвигу длины волны. Наблюдаемый сдвиг — прямое доказательство того, что свет переносит дискретную энергию и импульс, как частица (фотон).
2) Аналогичные эксперименты с нейтральными частицами и волнами — расширение дуализма
- Электронная дифракция (Davisson–Germer): электроны дают интерференционную картину на кристалле; объясняется волновой длиной де-Бройля
$$\lambda =\frac{h}{p}.$$ Это показывает волновые свойства материальных частиц.
- Нейтронная дифракция и интерферометрия (Rauch и др.): нейтроны — нейтральные, массивные частицы — демонстрируют интерференцию и фазовые сдвиги (гравитационные, магнитные), то есть волновую природу макс. частиц, и одновременно в рассеянии проявляют перенос импульса как частицы.
- Капица–Дирак эффект и атомная интерферометрия: электроны/атоми рассеиваются на стоячих световых волнах или в гравитационном поле, наблюдается квантомеханический перенос импульса порциями $(\hslash k)$, подтверждая и корпускулярный обмен импульсом фотонов, и волновую интерференцию частиц.
- Нейтронное рассеяние в кристаллах: одновременно работают представления о частицах (столкновения, перенос энергии/импульса) и о волнах (Брэгговская дифракция) — один и тот же эксперимент требует обеих картин.
3) Современная интерпретация
- Классический «дуализм волна — частица» в современной физике заменён квантовой теорией: поля и частицы рассматриваются как квантовые возбуждения; наблюдаемое поведение зависит от наблюдаемой величины и схемы измерения (принцип комплементарности).
- Ограничение на одновременное «видимое» волновое и корпускулярное поведение формализует принцип неопределённости
$$\Delta x\Delta p\gtrsim \frac{\hslash }{2}.$$
Вывод: эффект Комптона — классическое экспериментальное подтверждение того, что свет переносит кванты энергии и импульса (корпускулярный аспект). Аналоги с электронами, нейтронами и атомами показывают, что волновые свойства присущи массивным частицам, а совокупность таких экспериментов привела к современному квантовому представлению, где «волна» и «частица» — два проявления одного квантового объекта, выявляемые разными экспериментами.