Kaj je Comptonov učinek in kako deluje v fiziki

generalfmv / Getty Images

Comptonov učinek (imenovan tudi Comptonovo sipanje) je posledica visoke energije foton trčenje s tarčo, ki sprosti ohlapno vezano elektroni iz zunanje lupine atoma ali molekule. Razpršeno sevanje doživi premik valovne dolžine, ki ga ni mogoče razložiti v smislu klasične valovne teorije, kar podpiraEinsteinovafotonska teorija. Verjetno najpomembnejša posledica učinka je, da je pokazal, da svetlobe ni mogoče v celoti razložiti glede na valovne pojave. Comptonovo sipanje je en primer vrste neelastičnega sipanja svetlobe z nabitim delcem. Pojavi se tudi jedrsko sipanje, čeprav se Comptonov učinek običajno nanaša na interakcijo z elektroni.

Učinek je leta 1923 prvi dokazal Arthur Holly Compton (za kar je leta 1927 prejel Nobelova nagrada v fiziki). Comptonov podiplomski študent, Y.H. Woo, kasneje sem preveril učinek.

Kako deluje Comptonovo sipanje

Razprševanje je prikazano na diagramu. Visokoenergijski foton (običajno rentgenski oz žarki gama ) trči v tarčo, ki ima v svoji zunanji lupini ohlapno vezane elektrone. Vpadni foton ima naslednjo energijo IN in linearni zagon str :

IN = hc / lambda

str = IN / c

Foton preda del svoje energije enemu od skoraj prostih elektronov v obliki kinetična energija , kot se pričakuje pri trku delcev. Vemo, da je treba ohraniti celotno energijo in linearni moment. Če analiziramo razmerja med energijo in gibalno količino za foton in elektron, dobimo tri enačbe:

• energija
• x - zagon komponente
• Y - zagon komponente

... v štirih spremenljivkah:

• phi , kot sipanja elektrona
• theta , kot sipanja fotona
• IN_in , končna energija elektrona
• IN ', končna energija fotona

Če nas zanima samo energija in smer fotona, potem lahko spremenljivke elektronov obravnavamo kot konstante, kar pomeni, da je mogoče rešiti sistem enačb. S kombinacijo teh enačb in uporabo nekaterih algebraičnih trikov za izločitev spremenljivk je Compton prišel do naslednjih enačb (ki sta očitno povezani, saj sta energija in valovna dolžina povezani s fotoni):

1 / IN ' - 1 / IN = 1 /( m_in c ^dva) * (1 - cos theta )

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

Vrednost h /( m_in c ) se imenuje Comptonova valovna dolžina elektrona in ima vrednost 0,002426 nm (ali 2,426 x 10^-12m). To seveda ni dejanska valovna dolžina, ampak resnično proporcionalna konstanta za premik valovne dolžine.

Zakaj to podpira fotone?

Ta analiza in izpeljava temeljita na perspektivi delcev, rezultate pa je enostavno preizkusiti. Če pogledamo enačbo, postane jasno, da je celoten premik mogoče izmeriti zgolj glede na kot, pod katerim se foton razprši. Vse ostalo na desni strani enačbe je konstanta. Poskusi kažejo, da je temu tako, kar daje veliko podporo fotonski interpretaciji svetlobe.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.