Ce este efectul Compton și cum funcționează în fizică

Efectul Compton (numit și împrăștiere Compton) este rezultatul unui foton de mare energie care se ciocnește cu o țintă, care eliberează electroni legați liber din carcasa exterioară a atomului sau a moleculei. Radiația împrăștiată experimentează o deplasare a lungimii de undă care nu poate fi explicată în termenii teoriei undelor clasice, acordând astfel sprijin teoriei fotonului Einstein. Probabil că cea mai importantă implicație a efectului este că a arătat că lumina nu a putut fi explicată pe deplin în funcție de fenomenele valurilor. Împrastierea Compton este un exemplu de tip de împrăștiere inelastică a luminii de către o particulă încărcată. De asemenea, are loc împrăștiere nucleară, deși efectul Compton se referă de obicei la interacțiunea cu electronii.

Efectul a fost demonstrat pentru prima dată în 1923 de Arthur Holly Compton (pentru care a primit Premiul Nobel pentru fizică din 1927). Studentul absolvent al lui Compton, Y.H. Woo, mai târziu a verificat efectul.

Cum funcționează Compton Scattering

Împrastierea este demonstrată este ilustrată în diagrama. Un foton cu energie mare (în general, raze X sau raze gamma) se ciocnește cu o țintă, care are electroni legați liber în carcasa sa exterioară. Fotonul incident are următoarea energie E și moment liniar p:

E = hc / lambda

p = E / c

Fotonul dă o parte din energia sa unuia dintre electronii aproape liberi, sub formă de energie cinetică, așa cum este de așteptat într-o coliziune de particule. Știm că energia totală și impulsul liniar trebuie să fie conservate. Analizând aceste relații de energie și moment pentru foton și electron, ajungeți la trei ecuații:

• energie
• X-impulsul componentelor
• y-impulsul componentelor

... în patru variabile:

• phi, unghiul de împrăștiere a electronului
• teta, unghiul de împrăștiere a fotonului
• E_e, energia finală a electronului
• E', energia finală a fotonului

Dacă ne interesează doar energia și direcția fotonului, atunci variabilele electronilor pot fi tratate ca constante, ceea ce înseamnă că este posibilă rezolvarea sistemului de ecuații. Combinând aceste ecuații și folosind câteva trucuri algebrice pentru a elimina variabilele, Compton a ajuns la următoarele ecuații (care sunt în mod evident legate, deoarece energia și lungimea de undă sunt legate de fotoni):

1 / E'- 1 / E = 1/ ( m_e c ²) * (1 - cos teta)

lambda' - lambda = h/ (m_e c) * (1 - cos teta)

Valoarea h/ (m_e c) se numește Lungimea de undă Compton a electronului și are o valoare de 0,002426 nm (sau 2,426 x 10)^-12 m). Desigur, aceasta nu este o lungime de undă reală, ci o constantă de proporționalitate pentru deplasarea lungimii de undă.

De ce suportă fotoni?

Această analiză și derivare se bazează pe o perspectivă a particulelor, iar rezultatele sunt ușor de testat. Privind ecuația, devine clar că întreaga deplasare poate fi măsurată pur și simplu în ceea ce privește unghiul la care fotonul este împrăștiat. Toate celelalte din partea dreaptă a ecuației sunt o constantă. Experimentele arată că acesta este cazul, oferind un mare sprijin interpretării fotonului luminii.

Editat de Anne Marie Helmenstine, doctorat.