14.5.23. Фотон массы $m$ сталкивается с неподвижным электроном. Определите массу фотона и электрона после столкновения, при котором фотон изменил направление движения на угол $\alpha$.
Решение
В этой задаче рассматривается так называемый эффектр Комптона: фотон рассеивается на свободном электроне, отдает ему часть энергии, и его собственная частота уменьшается. Эта тема очень нравится авторам различных олимпиад. Напримпер, похожая задача была на белорусском отборе на $IPhO$.
Сразу обозначим: безмассовость фотона и постоянство массы электрона никто не отменял. Савченко использует массу как меру $\textbf{полной энергии }$этих частиц. Так, $m=\frac{h\nu}{c^2}$, где $\nu$ - частота фотона. Либо, если использовать массу в $эВ$,$m=h\nu=E_{photon}$,$\ m_e=E_{electron}$ - так можно заметно сократить запись.
Что ж, будем пользоваться такой записью, хотя некоторые формулы будут выглядеть чуть непривычно.
Тогда ЗСЭ: $$m_e+m=m'_e+m_{\gamma}\tag{1}$$ Сразу получим "массу" электрона после столкновения: $$m'_e=m_e+m-m_{\gamma}\tag{2}$$
Релятивистский инвариант для электрона: $$m'^{2}_e=p^2_e+m^{2}_e\tag{3}$$
Пусть ось О$Оx$ сонаправвлена с начальным направлением фотона, $Oy$ - перпендикулярна. Тогда угол межу направлением движения электрона после столкновения и О$Оx$ равен $\varphi$. ЗСИ по осям: $$Ox: \quad \frac{m}{c}=p_e\cos\varphi+\frac{m_{\gamma}}{c}\cos\alpha\tag{4}$$ $$Oy: \quad 0=p_e\sin\varphi+\frac{m_{\gamma}}{c}\sin\alpha\tag{5}$$ Нам не очень интересно, куда полетит электрон (а угол, под которым наблюдается фотон, практически важен), поэтому исключим $\varphi$. Для этого сначала подставим $(3)$ в $(4)$ и $(5)$, домножим на $c$ и возведем в квадрат: $$(m-m_{\gamma}\cos\alpha)^2=(m'^{2}_e-m^{2}_e)cos^2\varphi\tag{6}$$ $$m_{\gamma}^2\sin^2\alpha=(m'^{2}_e-m^{2}_e)sin^2\varphi\tag{7}$$ Используя основное тригонометрическое тождество: $$(m-m_{\gamma}\cos\alpha)^2=(m'^{2}_e-m^{2}_e)-m_{\gamma}^2\sin^2\alpha \tag{8}$$ Упрощая, $$m^2-2mm_{\gamma}\cos\alpha+m_{\gamma}^2=m'^{2}_e-m^{2}_e \tag{9}$$ $(2)\to(9)$ $$mm_{\gamma}\cos\alpha=m_em_{\gamma}+mm_{\gamma}-mm_e \tag{10}$$
$No:$ Если вернуться к привычной энергии вместо массы, получим упомянутое в начале уменьшение частоты и получить стандартную формулу для эффета Комптона: $$\frac{1}{\nu'}-\frac{1}{\nu}=\frac{h}{m_e c^2}(1-\cos\alpha)$$ или $$\Delta\lambda=\lambda'-\lambda=\frac{h}{m_e c}(1-\cos\alpha)$$