Файл: Иноземцев, Г. Г. Незатылованные шлицевые червячные фрезы-1.pdf

обратного комптон-эффекта сильно отличаются от свойств прямого комптон-эффекта — рассеяния на покоящихся электронах*.

Если в прямом комптон-эффекте энергия фотона уменьшается в процессе рассеяния, то в обратном комптон-эффекте происходит резкое увеличение энергии фотона. Поэтому и появился термин обратный комптон-эффект: обмен энергией между фотоном и элект­ роном в обратном комптон-эффекте происходит в обратном (по отно­ шению к прямому комптон-эффекту) направлении.

Резкое увеличение энергии фотона в процессе рассеяния на ульт­ рарелятивистских электронах послужило одной из причин повышен­ ного интереса к обратному комптон-эффекту. Дело в том, что для

электроны очень высоких энергий. Например, электроны, излучаю­

101а эв [см. формулу (2.22)]. Электроны, излучающие в диапазоне у-излучения (ev —100 Мэв), должны иметь фантастически большую энергию — 1016 эв\

Генерация жесткого электромагнитного излучения в процессе обратного комптон-эффекта возможна при гораздо меньших энер­ гиях электронов. Например, при обратном комптон-эффекте фотонов реликтового излучения, средняя энергия которых равна 6 • Ю - 4 эв (см. § 1.4), на ультрарелятивистских электронах рассеянное излу­

Обратный комптоновский механизм многократно использовался для интерпретации нетеплового электромагнитного излучения кос­ мических объектов в оптическом, рентгеновском и у-диапазонах [60—70]. Рассеяние фотонов реликтового излучения на метагалак­ тических ультрарелятивистских электронах положено в основу од­ ной из наиболее распространенных гипотез о происхождении фоно­ вого рентгеновского излучения [71—80] (см. гл. 6).

Для астрофизики высоких энергий существенна еще одна осо­ бенность обратного комптон-эффекта — энергетические потери быстрых электронов, взаимодействующих с полем электромагнитно­ го излучения. Плотность энергии излучения в космической среде относительно велика, и электроны высоких энергий, движущиеся в межзвездном пространстве, быстро тормозятся, передавая свою энергию полю излучения. Этот аспект обратного комптон-эффекта выдвинут на передний план в первых работах по рассеянию излуче­ ния на ультрарелятивистских электронах [81—83]. Указанные ра­ боты появились после проведения экспериментов, показавших, что

* Разумеется, различие внешних проявлений обусловлено только выбо ром различных систем отсчета.

75

космические лучи вблизи Земли в основном состоят из положитель­ но заряженных частиц.

Обратный комптон-эффект оказывает существенное влияние на формирование энергетических спектров фотонов и электронов в ис­ точниках нетеплового космического излучения (см. гл. 4). Роль об­ ратного комптон-эффекта в динамике источников возрастает с уве­ личением плотности энергии электромагнитного излучения в источ­ нике. Чем компактнее источник, тем большую роль играет обратный комптон-эффект. Учет обратного комптоновского рассеяния собст­ венного излучения приводит к важным ограничениям на модели компактных нетепловых источников — квазаров и ядер активных галактик (подробнее см. работы [84, 85]).

Теория прямого комптон-эффекта подробно изложена в много­ численных обзорах и монографиях [42, 86—90]. Обратный комптонэффект подробно рассматривается в работах [1, 21, 91—97].

Прямой комптон-эффект. Рассмотрим классическую теорию рас­ сеяния электромагнитного излучения на покоящихся электронах [25] (см. § 78). Если интенсивность падающей волны не слишком ве­ лика (скорость, приобретаемая электроном в поле волны, должна быть мала по сравнению со скоростью света), то можно пренебречь как влиянием магнитного поля волны, так и пространственной неод­ нородностью электрического поля Е. В этом случае уравнение дви­ жения электрона в поле волны принимает вид

в поле падающей волны. Частота излучения в процессе рассеяния не изменяется. Интенсивность излучения, рассеянного электроном, представим в виде

тензор поляризации падающей волны [25] (см. § 50); wr — плотность энергии излучения в падающей волне и п — единичный вектор в на­ правлении рассеяния.

Дифференциальное сечение рассеяния определяется как отноше­

76

Интегрируя дифференциальное сечение по углам рассеяния, опреде­ ляем полное сечение рассеяния:

Полное сечение томсоновского рассеяния не зависит от поляризации падающей волны. Тензор поляризации неполяризованного излуче­ ния, распространяющегося вдоль оси z, запишем в виде

где 0 — угол рассеяния.

Интересно отметить, что в процессе томсоновского рассеяния неполяризованное излучение может приобрести поляризацию. Это обстоятельство могло бы объяснить происхождение поляризации теп­ лового рентгеновского излучения [98].

Квантовая теория комптон-эффекта. Классическую теорию рас­ сеяния можно использовать до тех пор, пока энергия падающих фо­ тонов мала по сравнению с энергией покоя электрона (Еч С пгс2, = = 511 кэв). При повышении энергии падающих фотонов в игру всту­ пают квантовые эффекты. Во-первых, частота рассеянного излуче­ ния со' становится меньше частоты падающего излучения со (при рас­ сеянии на покоящихся электронах!). Изменение частоты зависит от

Во-вторых, меняется как полное, так и дифференциальное сечение рассеяния [99, 100]:

77

дифференциальное сечение по энергии рассеянного фотона;

,комптон-эффекта близко к томсоновскому:

Средняя потеря энергии фотоном в процессе комптоновского рас­ сеяния

но при больших энергиях электрону передается большая часть на­ чальной энергии фотона:

1п тс*

Еу > тс2.

78