Wat het Compton-effect is en hoe het werkt in de natuurkunde

Het Compton-effect (ook wel Compton-verstrooiing genoemd) is het resultaat van een hoogenergetisch foton dat tegen een doel botst en losjes gebonden elektronen vrijgeeft uit de buitenste schil van het atoom of molecuul. De verstrooide straling ondervindt een golflengteverschuiving die niet kan worden verklaard in termen van klassieke golftheorie, en ondersteunt zo de fotonentheorie van Einstein. Waarschijnlijk is de belangrijkste implicatie van het effect dat het toonde dat licht niet volledig kon worden verklaard volgens golfverschijnselen. Compton-verstrooiing is een voorbeeld van een type inelastische verstrooiing van licht door een geladen deeltje. Nucleaire verstrooiing treedt ook op, hoewel het Compton-effect typisch verwijst naar de interactie met elektronen.

Het effect werd voor het eerst aangetoond in 1923 door Arthur Holly Compton (waarvoor hij in 1927 een Nobelprijs voor de natuurkunde ontving). Compton's afgestudeerde student, Y.H. Woo, later het effect geverifieerd.

Hoe Compton Scattering werkt

De verstrooiing die wordt getoond, is afgebeeld in het diagram. Een hoogenergetisch foton (meestal röntgen- of gammastraling) botst tegen een doelwit, dat losjes gebonden elektronen in zijn buitenste schil heeft. Het invallende foton heeft de volgende energie E en lineair momentum p:

E = hc / lambda

p = E / c

Het foton geeft een deel van zijn energie aan een van de bijna vrije elektronen, in de vorm van kinetische energie, zoals verwacht bij een deeltjesbotsing. We weten dat totale energie en lineair momentum moeten worden behouden. Als u deze energie- en momentumrelaties voor het foton en elektron analyseert, krijgt u drie vergelijkingen:

• energie
• X-component momentum
• Y-component momentum

... in vier variabelen:

• phi, de verstrooiingshoek van het elektron
• theta, de verstrooiingshoek van het foton
• E_e, de laatste energie van het elektron
• E', de laatste energie van het foton

Als we alleen om de energie en de richting van het foton geven, kunnen de elektronenvariabelen als constanten worden behandeld, wat betekent dat het mogelijk is het stelsel van vergelijkingen op te lossen. Door deze vergelijkingen te combineren en een aantal algebraïsche trucs te gebruiken om variabelen te elimineren, kwam Compton tot de volgende vergelijkingen (die duidelijk gerelateerd zijn, omdat energie en golflengte gerelateerd zijn aan fotonen):

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

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

De waarde h/ (m_e c) wordt de genoemd Compton golflengte van het elektron en heeft een waarde van 0,002426 nm (of 2,426 x 10^-12 m). Dit is natuurlijk geen echte golflengte, maar echt een evenredigheidsconstante voor de golflengteverschuiving.

Waarom ondersteunt dit fotonen?

Deze analyse en afleiding zijn gebaseerd op een deeltjesperspectief en de resultaten zijn eenvoudig te testen. Kijkend naar de vergelijking, wordt het duidelijk dat de hele verschuiving kan worden gemeten puur in termen van de hoek waaronder het foton wordt verstrooid. Al het andere aan de rechterkant van de vergelijking is een constante. Experimenten tonen aan dat dit het geval is en biedt een grote ondersteuning voor de foton-interpretatie van licht.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.