Qu'est-ce que l'effet Compton et comment il fonctionne en physique

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L'effet Compton (également appelé diffusion Compton) est le résultat d'un flux de haute énergie photon entrer en collision avec une cible, qui libère lâchement lié électrons de l'enveloppe externe de l'atome ou de la molécule. Le rayonnement diffusé subit un décalage de longueur d'onde qui ne peut pas être expliqué en termes de théorie classique des ondes, ce qui confirmed'Einsteinthéorie des photons. L'implication la plus importante de l'effet est probablement qu'il a montré que la lumière ne pouvait pas être entièrement expliquée en fonction des phénomènes ondulatoires. La diffusion Compton est un exemple d'un type de diffusion inélastique de la lumière par une particule chargée. La diffusion nucléaire se produit également, bien que l'effet Compton se réfère généralement à l'interaction avec les électrons.

L'effet a été démontré pour la première fois en 1923 par Arthur Holly Compton (pour lequel il a reçu un 1927 prix Nobel en physique). Étudiant diplômé de Compton, Y.H. Woo, plus tard vérifié l'effet.

Comment fonctionne la diffusion Compton

La diffusion est démontrée est illustrée dans le diagramme. Un photon de haute énergie (généralement des rayons X ou rayon gamma ) entre en collision avec une cible, qui a des électrons lâchement liés dans sa coque externe. Le photon incident a l'énergie suivante ET et moment linéaire p :

ET = hc / lambda

p = ET / c

Le photon cède une partie de son énergie à l'un des électrons quasi-libres, sous forme de énergie cinétique , comme prévu dans une collision de particules. Nous savons que l'énergie totale et la quantité de mouvement linéaire doivent être conservées. En analysant ces relations d'énergie et d'impulsion pour le photon et l'électron, vous vous retrouvez avec trois équations :

• énergie
• X -moment de la composante
• Oui -moment de la composante

... en quatre variables :

• phi , l'angle de diffusion de l'électron
• thêta , l'angle de diffusion du photon
• ET_et , l'énergie finale de l'électron
• ET ', l'énergie finale du photon

Si nous nous soucions uniquement de l'énergie et de la direction du photon, alors les variables électroniques peuvent être traitées comme des constantes, ce qui signifie qu'il est possible de résoudre le système d'équations. En combinant ces équations et en utilisant quelques astuces algébriques pour éliminer les variables, Compton est arrivé aux équations suivantes (qui sont évidemment liées, puisque l'énergie et la longueur d'onde sont liées aux photons) :

1 / ET ' - 1 / ET = 1 /( m_et c ^deux) * (1 - cos thêta )

lambda ' - lambda = h /( m_et c ) * (1 - cos thêta )

La valeur h /( m_et c ) s'appelle le Longueur d'onde Compton de l'électron et a une valeur de 0,002426 nm (ou 2,426 x 10^-12m). Ce n'est bien sûr pas une longueur d'onde réelle, mais vraiment une constante de proportionnalité pour le décalage de longueur d'onde.

Pourquoi cela prend-il en charge les photons ?

Cette analyse et cette dérivation sont basées sur une perspective particulaire et les résultats sont faciles à tester. En regardant l'équation, il devient clair que le décalage entier peut être mesuré uniquement en termes d'angle auquel le photon est diffusé. Tout le reste du côté droit de l'équation est une constante. Les expériences montrent que c'est le cas, donnant un grand soutien à l'interprétation photonique de la lumière.

Édité parAnne Marie Helmenstine, Ph.D.