L'effetto Compton (chiamato anche scattering Compton) è il risultato di un'alta energia fotone scontrarsi con un bersaglio, che rilascia liberamente legato elettroni dal guscio esterno dell'atomo o della molecola. La radiazione diffusa subisce uno spostamento della lunghezza d'onda che non può essere spiegato in termini di teoria classica delle onde, fornendo così supporto Einstein teoria dei fotoni. Probabilmente la più importante implicazione dell'effetto è che ha mostrato che la luce non può essere spiegata completamente in base ai fenomeni ondulatori. Lo scattering Compton è un esempio di un tipo di scattering anelastico della luce da parte di una particella carica. Si verifica anche la dispersione nucleare, sebbene l'effetto Compton si riferisca in genere all'interazione con gli elettroni.
L'effetto fu dimostrato per la prima volta nel 1923 da Arthur Holly Compton (per il quale ricevette un 1927 premio Nobel in fisica). Dottorando di Compton, Y.H. Woo, successivamente verificato l'effetto.
Come funziona Compton Scattering
Lo scattering è dimostrato è illustrato nel diagramma. Un fotone ad alta energia (generalmente raggi X o raggi gamma) si scontra con un bersaglio, che ha elettroni vagamente legati nel suo guscio esterno. Il fotone incidente ha la seguente energia E e momento lineare p:
E = hc / lambdap = E / c
Il fotone fornisce parte della sua energia a uno degli elettroni quasi liberi, sotto forma di energia cinetica, come previsto in una collisione di particelle. Sappiamo che l'energia totale e il momento lineare devono essere conservati. Analizzando queste relazioni di energia e momento per il fotone e l'elettrone, si ottengono tre equazioni:
- energia
- X-competente slancio
- y-competente slancio
... in quattro variabili:
- phi, l'angolo di scattering dell'elettrone
- theta, l'angolo di scattering del fotone
- Ee, l'energia finale dell'elettrone
- E', l'energia finale del fotone
Se ci preoccupiamo solo dell'energia e della direzione del fotone, allora le variabili degli elettroni possono essere trattate come costanti, il che significa che è possibile risolvere il sistema di equazioni. Combinando queste equazioni e usando alcuni trucchi algebrici per eliminare le variabili, Compton è arrivato a le seguenti equazioni (che sono ovviamente correlate, poiché energia e lunghezza d'onda sono correlate fotoni):
1 / E' - 1 / E = 1/( mec2) * (1 - cos theta)lambda' - lambda = h/(mec) * (1 - cos theta)
Il valore h/(mec) si chiama Lunghezza d'onda di Compton dell'elettrone e ha un valore di 0,002426 nm (o 2.426 x 10-12 m). Questa non è, ovviamente, una lunghezza d'onda effettiva, ma una costante di proporzionalità per lo spostamento della lunghezza d'onda.
Perché questo supporta i fotoni?
Questa analisi e derivazione si basano su una prospettiva di particelle e i risultati sono facili da testare. Osservando l'equazione, diventa chiaro che l'intero spostamento può essere misurato esclusivamente in termini dell'angolo in cui il fotone viene disperso. Tutto il resto sul lato destro dell'equazione è una costante. Gli esperimenti dimostrano che è così, fornendo un grande supporto all'interpretazione dei fotoni della luce.
A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.