Comptonův efekt (nazývaný také Comptonův rozptyl) je výsledkem vysoké energie foton srážka s cílem, který uvolní volně vázaný elektrony z vnějšího pláště atomu nebo molekuly. Rozptýlené záření zažívá posun vlnových délek, který nelze vysvětlit z hlediska teorie klasické vlny, což mu poskytuje podporu Einstein je fotonová teorie. Pravděpodobně nejdůležitějším důsledkem efektu je to, že ukázalo, že světlo nemohlo být plně vysvětleno podle vlnového jevu. Comptonův rozptyl je jedním příkladem typu neelastického rozptylu světla nabitou částicí. Nukleární rozptyl také nastane, ačkoli Compton účinek typicky se odkazuje na interakci s elektrony.
Účinek byl nejprve demonstrován v 1923 Arthur Holly Compton (pro kterého on přijal 1927 Nobelova cena ve fyzice). Comptonův postgraduální student, Y.H. Woo, později ověřil účinek.
Jak Compton Scattering funguje
Rozptyl je znázorněn na obrázku. Vysokoenergetický foton (obvykle rentgen nebo gama paprsek) se srazí s cílem, který má ve svém vnějším obalu volně vázané elektrony. Dopadající foton má následující energii E a lineární hybnost str:
E = hc / lambdastr = E / C
Foton dává část své energie jednomu z téměř volných elektronů ve formě Kinetická energie, jak se očekávalo při srážce částic. Víme, že celková energie a lineární hybnost musí být zachována. Analyzujete-li tyto vztahy energie a hybnosti pro foton a elektron, skončíte se třemi rovnicemi:
- energie
- X-komponentní hybnost
- y-komponentní hybnost
... ve čtyřech proměnných:
- phi, úhel rozptylu elektronu
- theta, úhel rozptylu fotonu
- EE, konečná energie elektronu
- E', konečná energie fotonu
Pokud nám záleží pouze na energii a směru fotonu, lze s elektronovými proměnnými zacházet jako s konstantami, což znamená, že je možné vyřešit soustavu rovnic. Kombinací těchto rovnic a použitím některých algebraických triků k eliminaci proměnných došlo k Comptonu následující rovnice (které se zjevně vztahují, protože energie a vlnová délka jsou vztaženy k fotony):
1 / E' - 1 / E = 1/( mEC2) * (1 - cos theta)lambda' - lambda = h/(mEC) * (1 - cos theta)
Hodnota h/(mEC) se nazývá Comptonova vlnová délka elektronu a má hodnotu 0,002426 nm (nebo 2,426 x 10)-12 m). To samozřejmě není skutečná vlnová délka, ale ve skutečnosti konstanta proporcionality pro posun vlnové délky.
Proč to podporuje fotony?
Tato analýza a odvození jsou založeny na perspektivě částic a výsledky lze snadno testovat. Při pohledu na rovnici je zřejmé, že celý posun lze měřit čistě z hlediska úhlu, ve kterém se foton rozptýlí. Všechno ostatní na pravé straně rovnice je konstanta. Experimenty ukazují, že tomu tak je, což velkou podporu fotonové interpretaci světla.
Editoval Anne Marie Helmenstine, Ph. D.