Comptonov efekt: zaglavni kamen kvantne mehanike

Comptonov učinak je jedan od temelja kvantne mehanike. Godine 1922. fizičar Arthur Holly Compton objasnio je povećanje valne duljine x-zraka i drugih emisija elektromagnetske energije, smatrajući ih skupom diskretnih impulsa ili kvanta elektromagnetske energije.

Comptonov efekt

Kemičar Gilbert Lewis (SAD) skovao je izraz "foton" za kvanti svjetlosti. Fotoni imaju vlastitu energiju i impulse. Oni također imaju valne značajke kao što su valna duljina i frekvencija. Energija fotona je u izravnoj proporciji s frekvencijom i inverznom dužinom. Comtonov efekt uključuje guranje fotona u pojedinačne elektrone. Tijekom tog procesa njihove su energije povezane, a pod određenim kutom dolazi do širenja valova, čija veličina ovisi o početnoj količini podataka. Zbog odnosa između energije i valne duljine, raspršeni fotoni imaju veću duljinu, što također ovisi o kutu kroz koji Rendgenski zraci su poslani.

Comptonovo raspršenje

Neelastično raspršivanje fotona na slobodno nabijenoj čestici završava slabljenjem energije, dok valna duljina povećava se veličina fotona. Dio te energije se raspršuje na obližnje elektrone. Postoji i obrnuti proces. Comptonovo raspršivanje je neelastično jer se valna duljina raspršenog svjetla razlikuje od upadnog zračenja. Što je Compton predložio? Učinak u ovom slučaju može se smatrati elastičnim guranjem. Kretanje elektrona u atomima dovodi do povećanja širine Comptonovog pojasa raspršene svjetlosti. To se može objasniti činjenicom da za elektrona u pokretu, duljina upadnog zračnog vala izgleda blago transformirana, a veličina promjena izravno ovisi o veličini i smjeru brzine elektrona.

U čast kome je učinak dobio ime

Comptonov efekt dobio je ime po imenu Arthura Holly Comptona (1892. - 1962.), profesora na Sveučilištu u Washingtonu, američkog fizičara koji je 1927. dobio Nobelovu nagradu za otkriće. Diplomirao je na Sveučilištu Worcester i Sveučilištu Princeton te je razvio teoriju intenziteta refleksije rendgenskih zraka iz kristala kao sredstvo za proučavanje rasporeda elektrona i atoma. Godine 1918. počeo je studirati. Godine 1919. Compton je bio među prvima koji su nagrađeni Nacionalnim istraživačkim vijećem. Primljen je na praksu u Laboratoriju Cavendish u Cambridgeu (Engleska), a potom na Sveučilištu Washington. Radeći sa rendgenskim zrakama, poboljšao je svoj aparat za mjerenje pomaka valne duljine iz kuta raspršenja.

Interakcija foton-elektrona

Jedan od najvažnijih pojmova u proučavanju Comptonovog raspršenja je foton, koji je, prema teoriji svjetla, kvant elektromagnetske energije i oni su uvijek u pokretu, pa čak iu vakuumu postoji konstantna brzina širenja svjetla. Comptonov učinak je važan jer pokazuje da se svjetlost ne smije smatrati samo fenomenom valova. U 1923, Compton predstavio članak u svijetu znanosti u kojoj je izvedena matematički odnos između pomaka u valnoj duljini i x-ray raspršenja kuta, sugerirajući da svaki slobodni x-ray foton će početi interakciju s jednom nabijenih čestica. To dovodi do činjenice da je elektron dan dio energije, a foton koji sadrži preostali dio energije emitira ga u smjeru koji je različit od početnog, dok je ukupni zamah sustava sačuvan. Taj je učinak jedan od tri glavna oblika interakcije fotona i glavni uzrok raspršenog zračenja u materijalu. Razlog tome je interakcija rendgenskog ili gama fotona s ekstremnim (i kao posljedica, slabo vezanim) valentnim elektronima na atomskoj razini.

Foton u kvantnoj teoriji

U 19. stoljeću, karakteristike valnog svjetla i elektromagnetsko zračenje u cjelini postale su apsolutno očite. Međutim, prije nego znanstvenici nisu pridali veliku važnost tim fenomenima. To je bilo sve dok Albert Einstein nije objasnio fotoelektrični učinak i natjerao sve da shvate da je svjetlosnu energiju trebalo smatrati dijelom kvantizirane teorije. Kao što je gore spomenuto, svjetlo ima valove i čestice. Bilo je to zapanjujuće otkriće, a svakako i izvan uobičajene percepcije stvari. Budući da su energija i veličina pulsa proporcionalne njezinoj frekvenciji, nakon interakcije foton ima manju frekvenciju, a valna duljina se povećava. Ovaj pokazatelj ovisi samo o kutu koji se formira između incidenta i raspršenih zraka. Najveći kut raspršenja omogućit će veće povećanje. Učinak se koristi u proučavanju elektrona u tvari i proizvodnji varijabilnih gama zraka. Comptonova formula za pomicanje Δλ je valna duljina svjetlosti: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 cos θ), gdje je λ' valna duljina raspršene svjetlosti, θ je kut raspršenja fotona, a λ0 = 2.426 × 1010 cm = 0.024 Angstrom (A). Iz formule se može vidjeti da pomak u valnoj duljini ne ovisi o duljini upadnog zračnog vala. Utvrđuje se isključivo kutom raspršenja fotona i najveći je pod kutom od 180 °.

Osnovna svojstva fotona

1. Kretanje u slobodnom prostoru konstantnom brzinom.
2. Fotoni nemaju masu.
3. Oni nose energiju i zamah koji su također povezani s frekvencijom i valnom dužinom.
4. One se mogu uništiti apsorpcijom zračenja.
5. Fotoni su elektronski neutralni i spadaju među najrjeđe čestice.

Vrijednost učinka u različitim područjima znanosti

Comptonovo raspršenje, često nazvano nekoherentno raspršivanje, važno je u atomskoj energiji (zaštita od zračenja), eksperimentalnoj i teorijskoj nuklearnoj fizici, fizici plazme i atoma, kristalografiji rendgenskih zraka, fizici čestica i astrofizici. Comptonov efekt predstavlja važan alat za istraživanje u nekim granama medicine, u molekularnoj kemiji i fizici čvrstog stanja, kao i za uporabu akceleratora visokih energija. Ovo otkriće je od najveće važnosti za radiobiologiju, jer je najprikladnije za interakciju visokoenergetskih rendgenskih zraka s atomskim jezgrama u živim organizmima i koristi se u terapiji zračenjem. U fizikalnim materijalima, ovaj se učinak može upotrijebiti za ispitivanje valne funkcije elektrona u tvari. Compton je također otkrio fenomen pune refleksije x-zraka i njihovu potpunu polarizaciju, što je dovelo do točnijeg određivanja broja elektrona u atomu. On je također bio prvi koji je dobio rendgenski spektar izravnom metodom mjerenja valne duljine X-zraka. Uspoređujući ove spektre s podacima dobivenim pomoću kristala, apsolutne vrijednosti udaljenosti između atoma u kristalna rešetka. Compton je zadržao mjesto američki predsjednik fizičko društvo 1934. Bio je kancelar Sveučilišta Washington od 1946. do 1953. godine. Veliki fizičar umro je 1962. u dobi od 69 godina.

Nevjerojatno otkriće

Na temelju kvantnih ideja o prirodi svjetla Comptonov efekt ilustrira jednu od najtemeljnijih interakcija između zračenja i materije iu vrlo vizualnom obliku pokazuje pravu kvantnu prirodu elektromagnetskog zračenja. Možda je najveća vrijednost ovog učinka to što pokazuje izravno i jasno da osim valne prirode s njezinim poprečnim oscilacijama, elektromagnetsko zračenje sadrži i čestice prirode - fotone koji se ponašaju kao materijalne tvari u sudarima s elektronima. Ovo otkriće dovelo je do razvoja kvantne mehanike i poslužilo kao osnova za početak teorije kvantne elektrodinamike, teorije interakcije elektrona s elektromagnetskim poljem.