Compton-effekten (även kallad Compton-spridning) är resultatet av en högenergi foton kolliderar med ett mål, som frigörs löst bundet 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 därmed ger stöd till Einsteins fotonteori. Den viktigaste implikationen av effekten är förmodligen 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 1927 för Nobelpriset i fysik). Comptons doktorand, Y.H. Woo, senare verifierade effekten.
Hur Compton Scattering fungerar
Spridningen visas visas i diagrammet. En foton med hög energi (vanligtvis röntgenstråle 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 / lambdap = E / c
Fotonen ger en del av sin energi till en av de nästan fria elektronerna, i form av rörelseenergi, 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, spridningsvinkeln för elektronen
- teta, fotonens spridningsvinkel
- Ee, elektronens slutliga energi
- E', fotonens slutliga energi
Om vi bara bryr oss om fotonens energi och riktning, kan elektronvariablerna behandlas som konstanter, vilket innebär 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/( mec2) * (1 - cos teta)lambda' - lambda = h/(mec) * (1 - cos teta)
Värdet h/(mec) 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.