Kas ir Komptona efekts un kā tas darbojas fizikā

generalfmv / Getty Images

Komptona efekts (saukts arī par Komptona izkliedi) ir augstas enerģijas rezultāts fotons sadursme ar mērķi, kas atbrīvojas brīvi saistīts elektroni no atoma vai molekulas ārējā apvalka. Izkliedētais starojums piedzīvo viļņa garuma nobīdi, ko nevar izskaidrot ar klasisko viļņu teoriju, tādējādi sniedzot atbalstuEinšteinafotonu teorija. Iespējams, ka vissvarīgākā ietekme ir tāda, ka tā parādīja, ka gaismu nevar pilnībā izskaidrot saskaņā ar viļņu parādībām. Komptona izkliede ir viens no piemēriem neelastīgai gaismas izkliedei ar uzlādētu daļiņu. Notiek arī kodolizkliede, lai gan Komptona efekts parasti attiecas uz mijiedarbību ar elektroniem.

Pirmo reizi efektu 1923. gadā demonstrēja Arturs Holijs Komptons (par to viņš saņēma 1927. Nobela prēmija fizikā). Komptonas absolvents Y.H. Oho, vēlāk pārbaudīja efektu.

Kā darbojas Compton izkliede

Izkliede ir parādīta diagrammā. Augstas enerģijas fotons (parasti rentgenstaru vai gamma starojums ) saduras ar mērķi, kura ārējā apvalkā ir brīvi saistīti elektroni. Incidentajam fotonam ir šāda enerģija UN un lineārais impulss lpp :

UN = hc / lambda

lpp = UN / c

Fotons daļu savas enerģijas piešķir vienam no gandrīz brīvajiem elektroniem formā kinētiskā enerģija , kā paredzēts daļiņu sadursmē. Mēs zinām, ka kopējā enerģija un lineārais impulss ir jāsaglabā. Analizējot šīs enerģijas un impulsa attiecības fotonam un elektronam, tiek iegūti trīs vienādojumi:

• enerģiju
• x -komponentu impulss
• Y -komponentu impulss

... četros mainīgajos:

• phi , elektrona izkliedes leņķis
• teta , fotona izkliedes leņķis
• UN_un , elektrona galīgā enerģija
• UN ', fotona galīgā enerģija

Ja mums rūp tikai fotona enerģija un virziens, tad elektronu mainīgos var uzskatīt par konstantēm, kas nozīmē, ka ir iespējams atrisināt vienādojumu sistēmu. Apvienojot šos vienādojumus un izmantojot dažus algebriskus trikus, lai novērstu mainīgos, Komptons nonāca pie šādiem vienādojumiem (kas acīmredzami ir saistīti, jo enerģija un viļņa garums ir saistīti ar fotoniem):

1/ UN '-1/ UN = 1 /( m_un c ^divi) * (1 — cos teta )

lambda '- lambda = h /( m_un c ) * (1 — cos teta )

Vērtība h /( m_un c ) sauc par Elektrona komptona viļņa garums un tā vērtība ir 0,002426 nm (vai 2,426 x 10^-12m). Tas, protams, nav faktiskais viļņa garums, bet gan proporcionalitātes konstante viļņa garuma maiņai.

Kāpēc tas atbalsta fotonus?

Šī analīze un atvasināšana ir balstīta uz daļiņu perspektīvu, un rezultātus ir viegli pārbaudīt. Aplūkojot vienādojumu, kļūst skaidrs, ka visu nobīdi var izmērīt tikai ar leņķi, kurā fotons tiek izkliedēts. Viss pārējais vienādojuma labajā pusē ir konstante. Eksperimenti liecina, ka tas tā ir, sniedzot lielu atbalstu gaismas fotonu interpretācijai.

RediģējaAnne Marie Helmenstine, Ph.D.