Vad är Compton-effekten och hur det fungerar inom fysik

Compton-effekten (även kallad Compton-spridning) är resultatet av en högenergi-foton som kolliderar med ett mål, som frigör löst bundna elektroner från det yttre skalet på atomen eller molekylen. Den spridda strålningen upplever en våglängdsförskjutning som inte kan förklaras i termer av klassisk vågteori och ger därmed stöd till Einsteins fotonteori. Förmodligen är den viktigaste implikationen av effekten att den visade att ljus inte kunde förklaras helt enligt vågfenomen. Compton-spridning är ett exempel på en typ av inelastisk spridning av ljus med en laddad partikel. Kärnspridning förekommer också, även om Compton-effekten vanligen hänvisar till interaktionen med elektroner.

Effekten demonstrerades först 1923 av Arthur Holly Compton (som han fick Nobelpriset i fysik 1927). Comptons doktorand, Y.H. Woo, senare verifierade effekten.

Hur Compton Scattering fungerar

Spridningen visas visas i diagrammet. En foton med hög energi (vanligtvis röntgen eller gammastråle) kolliderar med ett mål, som har löst bundna elektroner i sitt yttre skal. Händelsefotonet har följande energi E och linjärt momentum p:

E = hc / lambda

p = E / c

Fotonen ger en del av sin energi till en av de nästan fria elektronerna, i form av kinetisk energi, som förväntat i en partikelkollision. Vi vet att total energi och linjär momentum måste bevaras. Genom att analysera dessa energi- och momentförhållanden för foton och elektron slutar du med tre ekvationer:

• energi
• x-komponent momentum
• y-komponent momentum

... i fyra variabler:

• phi, elektronens spridningsvinkel
• teta, fotonens spridningsvinkel
• E_e, elektronens slutliga energi
• E', fotonens slutliga energi

Om vi ​​bara bryr oss om fotonens energi och riktning, kan elektronvariablerna behandlas som konstanter, vilket betyder att det är möjligt att lösa ekvationssystemet. Genom att kombinera dessa ekvationer och använda några algebraiska trick för att eliminera variabler kom Compton till följande ekvationer (som uppenbarligen är relaterade, eftersom energi och våglängd är relaterade till fotoner):

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

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

Värdet h/ (m_e c) kallas Compton våglängd för elektronen och har ett värde av 0,002426 nm (eller 2,426 x 10^-12 m). Detta är naturligtvis inte en faktisk våglängd, utan egentligen en proportionalitetskonstant för våglängdsskiftet.

Varför stöder detta fotoner?

Denna analys och derivat baseras på ett partikelperspektiv och resultaten är lätta att testa. När man tittar på ekvationen blir det tydligt att hela skiftet kan mätas rent i termer av den vinkel vid vilken fotonen sprids. Allt annat på höger sida av ekvationen är en konstant. Experiment visar att detta är fallet och ger stort stöd till fotontolkningen av ljus.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.