Porady

Czym jest efekt Comptona i jak działa w fizyce

Czym jest efekt Comptona i jak działa w fizyce

Efekt Comptona (zwany także rozpraszaniem Comptona) jest wynikiem zderzenia fotonu o wysokiej energii z celem, który uwalnia luźno związane elektrony z zewnętrznej powłoki atomu lub cząsteczki. Promieniowanie rozproszone podlega przesunięciu długości fali, którego nie można wyjaśnić w kategoriach klasycznej teorii fal, co stanowi poparcie dla teorii fotonów Einsteina. Prawdopodobnie najważniejszą implikacją tego efektu jest to, że pokazane światło nie może być w pełni wyjaśnione na podstawie zjawisk falowych. Rozpraszanie Comptona jest jednym z przykładów nieelastycznego rozpraszania światła przez naładowaną cząstkę. Występuje również rozproszenie jądrowe, chociaż efekt Comptona zazwyczaj odnosi się do interakcji z elektronami.

Efekt ten po raz pierwszy zademonstrował w 1923 r. Arthur Holly Compton (za który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1927 r.). Student Compton, Y.H. Woo, później zweryfikowałem efekt.

Jak działa rozpraszanie Comptona

Pokazano, że rozproszenie pokazano na schemacie. Foton wysokoenergetyczny (zwykle promieniowanie rentgenowskie lub gamma) zderza się z celem, który ma luźno związane elektrony w swojej zewnętrznej powłoce. Foton padający ma następującą energię mi i pęd liniowy p:

mi = hc / lambda

p = mi / do

Foton oddaje część swojej energii jednemu z prawie wolnych elektronów, w postaci energii kinetycznej, zgodnie z oczekiwaniami w zderzeniu cząstek. Wiemy, że należy zachować całkowitą energię i pęd liniowy. Analizując zależności energii i pędu dla fotonu i elektronu, otrzymujesz trzy równania:

  • energia
  • x-komponent pędu
  • y-komponent pędu

… W czterech zmiennych:

  • phi, kąt rozproszenia elektronu
  • theta, kąt rozproszenia fotonu
  • mimi, energia końcowa elektronu
  • mi', energia końcowa fotonu

Jeśli zależy nam tylko na energii i kierunku fotonu, wówczas zmienne elektronowe można traktować jako stałe, co oznacza, że ​​możliwe jest rozwiązanie układu równań. Łącząc te równania i stosując pewne sztuczki algebraiczne w celu eliminacji zmiennych, Compton uzyskał następujące równania (które są oczywiście powiązane, ponieważ energia i długość fali są powiązane z fotonami):

1 / mi' - 1 / mi = 1/( mmi do 2) * (1 - cos theta)

lambda' - lambda = h/(mmi do) * (1 - cos theta)

Wartość h/(mmi do) nazywa się Długość fali Comptona elektronu i ma wartość 0,002426 nm (lub 2,426 x 10-12 m). To nie jest oczywiście rzeczywista długość fali, ale tak naprawdę stała proporcjonalności dla przesunięcia długości fali.

Dlaczego obsługuje to fotony?

Ta analiza i wyprowadzanie oparte są na perspektywie cząstek, a wyniki można łatwo przetestować. Patrząc na równanie, staje się jasne, że całe przesunięcie można zmierzyć wyłącznie w kategoriach kąta rozproszenia fotonu. Cała reszta po prawej stronie równania jest stała. Eksperymenty pokazują, że tak jest, co stanowi doskonałe wsparcie dla interpretacji fotonu w świetle.

Pod redakcją dr Anne Marie Helmenstine

Obejrzyj wideo: Fizyka - Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne teoria (Kwiecień 2020).