Was der Compton-Effekt ist und wie er in der Physik funktioniert

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Der Compton-Effekt (auch Compton-Streuung genannt) ist das Ergebnis einer hohen Energie Photon Kollision mit einem Ziel, das sich lose gebunden löst Elektronen aus der äußeren Hülle des Atoms oder Moleküls. Die gestreute Strahlung erfährt eine Wellenlängenverschiebung, die mit der klassischen Wellentheorie nicht erklärt werden kann, und stützt diesEinsteinsPhotonentheorie. Die wahrscheinlich wichtigste Implikation des Effekts ist, dass er zeigte, dass Licht nicht vollständig mit Wellenphänomenen erklärt werden konnte. Die Compton-Streuung ist ein Beispiel für eine Art unelastischer Lichtstreuung durch ein geladenes Teilchen. Kernstreuung tritt ebenfalls auf, obwohl sich der Compton-Effekt typischerweise auf die Wechselwirkung mit Elektronen bezieht.

Der Effekt wurde erstmals 1923 von Arthur Holly Compton demonstriert (für den er 1927 eine Auszeichnung erhielt Nobelpreis in Physik). Comptons Doktorand Y.H. Woo, verifizierte später den Effekt.

Wie Compton-Streuung funktioniert

Die Streuung wird im Diagramm dargestellt. Ein hochenergetisches Photon (in der Regel Röntgen- bzw Gammastrahlen ) kollidiert mit einem Target, das in seiner äußeren Hülle lose gebundene Elektronen aufweist. Das einfallende Photon hat die folgende Energie UND und linearer Impuls p :

UND = hc / Lambda

p = UND / c

Das Photon gibt einen Teil seiner Energie in Form von an eines der fast freien Elektronen ab kinetische Energie , wie bei einer Teilchenkollision erwartet. Wir wissen, dass Gesamtenergie und linearer Impuls erhalten bleiben müssen. Wenn Sie diese Energie- und Impulsbeziehungen für das Photon und das Elektron analysieren, erhalten Sie am Ende drei Gleichungen:

• Energie
• x -Komponentenimpuls
• Y -Komponentenimpuls

... in vier Variablen:

• Phi , dem Streuwinkel des Elektrons
• Theta , dem Streuwinkel des Photons
• UND_und , die Endenergie des Elektrons
• UND ', die Endenergie des Photons

Wenn wir uns nur um die Energie und Richtung des Photons kümmern, können die Elektronenvariablen als Konstanten behandelt werden, was bedeutet, dass es möglich ist, das Gleichungssystem zu lösen. Durch die Kombination dieser Gleichungen und die Verwendung einiger algebraischer Tricks zur Eliminierung von Variablen gelangte Compton zu den folgenden Gleichungen (die offensichtlich verwandt sind, da Energie und Wellenlänge mit Photonen zusammenhängen):

1 / UND ' - 1 / UND = 1 /( m_und c ^zwei) * (1 - cos Theta )

Lambda ' - Lambda = h /( m_und c ) * (1 - cos Theta )

Der Wert h /( m_und c ) heißt die Compton-Wellenlänge des Elektrons und hat einen Wert von 0,002426 nm (oder 2,426 x 10^-12m). Dies ist natürlich keine tatsächliche Wellenlänge, sondern wirklich eine Proportionalitätskonstante für die Wellenlängenverschiebung.

Warum unterstützt dies Photonen?

Diese Analyse und Ableitung basiert auf einer Partikelperspektive und die Ergebnisse sind einfach zu testen. Wenn man sich die Gleichung ansieht, wird deutlich, dass die gesamte Verschiebung rein anhand des Winkels gemessen werden kann, unter dem das Photon gestreut wird. Alles andere auf der rechten Seite der Gleichung ist eine Konstante. Experimente zeigen, dass dies der Fall ist, was die Interpretation von Licht durch Photonen stark unterstützt.

Bearbeitet vonAnne Marie Helmenstine, Ph.D.