Efekt Compton: Podstawa mechaniki kwantowej

Efekt Comptona jest jednym z kamieni węgielnych mechaniki kwantowej. W 1922 roku fizyk Arthur Holly Compton wyjaśnił wzrost długości fali promieniowania rentgenowskiego i innych emisji energii elektromagnetycznej, traktując je jako zbiór dyskretnych impulsów lub kwantów energii elektromagnetycznej.

Efekt Compton

Chemik Gilbert Lewis (USA) ukuł termin "foton" dla kwantów światła. Fotony mają własną energię i impulsy. Mają również charakterystyki falowe, takie jak długość fali i częstotliwość. Energia fotonów jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotności jej długości. Efekt Comptona polega na popychaniu fotonów do pojedynczych elektronów. Podczas tego procesu ich energie są połączone i pod pewnym kątem następuje rozprzestrzenianie się fal, których wielkość zależy od początkowej ilości danych. Ze względu na związek między energią i długością fali, rozproszone fotony mają większą długość, która zależy również od kąta, przez który Zdjęcia rentgenowskie zostały wysłane.

Rozpraszanie Comptona

Nieelastyczne rozpraszanie fotonu na swobodnej cząstce kończy się osłabieniem energii, podczas gdy długość fali foton zwiększa swój rozmiar. Część tej energii jest rozpylana na pobliskie elektrony. Istnieje również proces odwrotny. Rozpraszanie Comptona jest nieelastyczne, ponieważ długość fali rozproszonego światła różni się od promieniowania padającego. Co sugerował Compton? Efekt w tym przypadku można uznać za pchnięcie sprężyste. Ruch elektronów w atomach prowadzi do zwiększenia szerokości pasma Compton rozproszonego światła. Można to wytłumaczyć faktem, że dla elektronów w ruchu długość padającej fali promieniowania wygląda na lekko zmienioną, a wielkość zmian jest bezpośrednio zależna od wielkości i kierunku prędkości elektronu.

Na cześć którego efekt ma swoją nazwę

Compton Effect ma swoją nazwę od nazwiska Arthura Holly'ego Comptona (1892-1962), profesora na University of Washington, amerykańskiego fizyka, który zdobył nagrodę Nobla w 1927 roku za swoje odkrycie. Ukończył University of Worcester i Princeton University, opracował teorię natężenia odbicia promieniowania X od kryształów jako sposobu badania rozmieszczenia elektronów i atomów. W 1918 r. Rozpoczął studia. W 1919 Compton był jednym z pierwszych, którzy otrzymali nagrodę National Research Fellowship Council. Został przyjęty na staż w Cavendish Laboratory w Cambridge (Anglia), a następnie na University of Washington. Pracując z promieniami X, poprawił swój aparat do pomiaru przesunięcia długości fali z kąta rozproszenia.

Oddziaływanie foton-elektron

Jednym z najważniejszych pojęć w badaniu rozpraszania Comptona jest foton, który zgodnie z teorią światła jest kwantem energii elektromagnetycznej i zawsze jest w ruchu, a nawet w próżni istnieje stała prędkość propagacji światła. Efekt Comptona jest ważny, ponieważ pokazuje, że światło nie powinno być traktowane wyłącznie jako zjawisko falowe. W 1923 r. Compton przedstawił artykuł światu nauki, w którym uzyskał matematyczną zależność między przesunięciem w zakresie długości fali i kąta rozproszenia promieni rentgenowskich, sugerując, że każdy wolny foton promieniowania X zacznie współdziałać z jedną naładowaną cząstką. Prowadzi to do tego, że elektron otrzymuje część energii, a foton zawierający pozostałą część energii emituje go w kierunku innym niż początkowy, podczas gdy całkowity pęd układu jest zachowany. Ten efekt jest jedną z trzech głównych form oddziaływania fotonów i główną przyczyną rozproszonego promieniowania w materiale. Wynika to z interakcji fotonu rentgenowskiego lub gamma z ekstremalnymi (iw rezultacie słabo związanymi) elektronami walencyjnymi na poziomie atomowym.

Foton w kategoriach teorii kwantowej

W 1800 roku charakterystyka fali świetlnej i promieniowania elektromagnetycznego stała się całkowicie oczywista. Jednak zanim naukowcy nie przywiązywali dużej wagi do tych zjawisk. Tak było, dopóki Albert Einstein nie wyjaśnił efektu fotoelektrycznego i nie zrozumiał, że energia światła powinna być uważana za część kwantowej teorii. Jak wspomniano powyżej, światło ma fale i cząsteczki. To było zaskakujące odkrycie, a już na pewno poza zwykłym postrzeganiem rzeczy. Ponieważ energia i wielkość impulsu są proporcjonalne do jego częstotliwości, po interakcji foton ma niższą częstotliwość, a długość fali wzrasta. Wskaźnik ten zależy tylko od kąta, jaki powstaje między padającymi i rozproszonymi promieniami. Największy kąt rozproszenia pozwoli na większe powiększenie. Efekt ten wykorzystywany jest w badaniu elektronów w substancji i wytwarzaniu promieni gamma o zmiennej energii. Formuła Comptona dla przesunięcia Δλ jest długością fali światła: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 cos θ), gdzie λ' jest długością fali światła rozproszonego, θ jest kątem rozproszenia fotonu i λ0 = 2,426 × 1010 cm = 0,024 Angstromu (Å). Na podstawie wzoru można zauważyć, że przesunięcie długości fali nie zależy od długości padającej fali promieniowania. Jest on określany wyłącznie przez kąt rozproszenia fotonu i jest największy pod kątem 180 °.

Podstawowe właściwości fotonów

1. Ruch w wolnej przestrzeni ze stałą prędkością.
2. Fotony nie mają masy.
3. Niosą energię i pęd, które są również związane z częstotliwością i długością fali.
4. Mogą zostać zniszczone przez absorpcję promieniowania.
5. Fotony są neutralne elektronicznie i należą do najrzadszych cząsteczek.

Wartość efektu w różnych dziedzinach nauki

Rozpraszanie Comptona, często określane jako niespójne rozproszenie, jest ważne w energii atomowej (ochrona przed promieniowaniem), eksperymentalnej i teoretycznej fizyce jądrowej, fizyce plazmy i atomu, krystalografii rentgenowskiej, fizyce cząstek elementarnych i astrofizyce. Efekt Comptona stanowi ważne narzędzie do badań w niektórych gałęziach medycyny, w chemii molekularnej i fizyce ciała stałego, a także w zastosowaniu wysokoenergetycznych akceleratorów elektronów. Odkrycie to ma ogromne znaczenie dla radiobiologii, ponieważ jest najbardziej odpowiednie do interakcji wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich z jądrami atomowymi w żywych organizmach i jest stosowane w radioterapii. W materiałach fizycznych ten efekt można wykorzystać do zbadania funkcji falowej elektronów w substancji. Compton odkrył również zjawisko pełnego odbicia promieni rentgenowskich i ich całkowitej polaryzacji, co doprowadziło do dokładniejszego określenia liczby elektronów w atomie. Był także pierwszym, który uzyskał widma promieniowania rentgenowskiego za pomocą bezpośredniej metody pomiaru długości fali promieniowania rentgenowskiego. Porównując te widma z danymi uzyskanymi za pomocą kryształu, bezwzględne wartości odległości między atomami w sieć krystaliczna. Compton trzymał pocztę amerykański prezydent społeczeństwo fizyczne w 1934 r. Był kanclerzem Uniwersytetu Waszyngtońskiego w latach 1946-1953. Wielki fizyk zmarł w 1962 roku w wieku 69 lat.

Niesamowite odkrycie

W oparciu o kwantowe poglądy na temat natury światła, efekt Comptona ilustruje jedną z najbardziej fundamentalnych interakcji między promieniowaniem a materią iw bardzo wizualnej formie pokazuje prawdziwą kwantową naturę promieniowania elektromagnetycznego. Być może największą wartością tego efektu jest to, że bezpośrednio i wyraźnie pokazuje, że oprócz natury falowej z jej oscylacjami poprzecznymi, promieniowanie elektromagnetyczne zawiera również cząstki natury - fotony, które zachowują się podobnie jak substancje materialne w zderzeniach z elektronami. Odkrycie to doprowadziło do opracowania mechaniki kwantowej i posłużyło jako podstawa do rozpoczęcia teorii elektrodynamiki kwantowej, teorii interakcji elektronów z polem elektromagnetycznym.