Hva Compton-effekten er og hvordan den fungerer i fysikk

generalfmv / Getty Images

Compton-effekten (også kalt Compton-spredning) er et resultat av høy energi foton kolliderer med et mål, som slipper løst bundet elektroner fra det ytre skallet til atomet eller molekylet. Den spredte strålingen opplever en bølgelengdeforskyvning som ikke kan forklares i form av klassisk bølgeteori, og gir dermed støtte tilEinsteinsfotonteori. Den sannsynligvis viktigste implikasjonen av effekten er at den viste at lys ikke kunne forklares fullt ut i henhold til bølgefenomener. Compton-spredning er ett eksempel på en type uelastisk spredning av lys av en ladet partikkel. Kjernefysisk spredning forekommer også, selv om Compton-effekten vanligvis refererer til interaksjonen med elektroner.

Effekten ble først demonstrert i 1923 av Arthur Holly Compton (som han mottok en 1927) Nobel pris i fysikk). Comptons hovedfagsstudent, Y.H. Woo, senere bekreftet effekten.

Hvordan Compton-spredning fungerer

Spredningen er demonstrert er avbildet i diagrammet. Et høyenergifoton (vanligvis røntgen eller Gammastråle ) kolliderer med et mål, som har løst bundne elektroner i sitt ytre skall. Det innfallende fotonet har følgende energi OG og lineært momentum s :

OG = hc / lambda

s = OG / c

Fotonet gir en del av energien sin til et av de nesten frie elektronene, i form av kinetisk energi , som forventet i en partikkelkollisjon. Vi vet at total energi og lineært momentum må bevares. Ved å analysere disse energi- og momentumforholdene for fotonet og elektronet, ender du opp med tre ligninger:

• energi
• x -komponent momentum
• Y -komponent momentum

... i fire variabler:

• phi , spredningsvinkelen til elektronet
• theta , spredningsvinkelen til fotonet
• OG_og , den endelige energien til elektronet
• OG ', den endelige energien til fotonet

Hvis vi bare bryr oss om energien og retningen til fotonet, kan elektronvariablene behandles som konstanter, noe som betyr at det er mulig å løse ligningssystemet. Ved å kombinere disse ligningene og bruke noen algebraiske triks for å eliminere variabler, kom Compton frem til følgende ligninger (som åpenbart er relatert, siden energi og bølgelengde er relatert til fotoner):

1 / OG ' - 1 / OG = 1 /( m_og c ^to) * (1 - cos theta )

lambda ' - lambda = h /( m_og c ) * (1 - cos theta )

Verdien h /( m_og c ) kalles Compton-bølgelengden til elektronet og har en verdi på 0,002426 nm (eller 2,426 x 10^-12m). Dette er selvfølgelig ikke en faktisk bølgelengde, men egentlig en proporsjonalitetskonstant for bølgelengdeskiftet.

Hvorfor støtter dette fotoner?

Denne analysen og utledningen er basert på et partikkelperspektiv og resultatene er enkle å teste. Når man ser på ligningen, blir det klart at hele skiftet kan måles rent ut fra vinkelen fotonet blir spredt ved. Alt annet på høyre side av ligningen er en konstant. Eksperimenter viser at dette er tilfellet, og gir stor støtte til fotontolkningen av lys.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.