ما هو تأثير كومبتون في الفيزياء؟ وكيف يعمل؟

تأثير كومبتون (يسمى أيضًا تشتت كومبتون) هو نتيجة اصطدام فوتون عالي الطاقة مع هدف، مما يؤدي إلى إطلاق إلكترونات مرتبطة بشكل غير محكم من الغلاف الخارجي للذرة أو الجزيء.

يختبر الإشعاع المبعثر تحولًا في الطول الموجي لا يمكن تفسيره من منظور نظرية الموجة الكلاسيكية، مما يدعم نظرية أينشتاين للفوتون.

من المحتمل أن يكون التأثير الأكثر أهمية للتأثير هو أنه أظهر أن الضوء لا يمكن تفسيره بالكامل وفقًا لظاهرة الموجة. تأثير كومبتون هو أحد الأمثلة على نوع من تشتت الضوء غير المرن بواسطة جسيم مشحون.

يحدث التشتت النووي أيضًا، على الرغم من أن تأثير كومبتون يشير عادةً إلى التفاعل مع الإلكترونات.

تم عرض التأثير لأول مرة في عام 1923 من قبل آرثر هولي كومبتون (الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927). طالب الدراسات العليا Y.H. Woo، أكد لاحقًا على التأثير.

كيف يعمل تأثير كومبتون؟

يصطدم الفوتون عالي الطاقة (بشكل عام الأشعة السينية أو أشعة جاما) بهدف يحتوي على إلكترونات غير مترابطة في غلافه الخارجي. يحتوي الفوتون الساقط على الطاقة التالية E والزخم الخطي p:

E = hc / lambda

p = E / c

يعطي الفوتون جزءًا من طاقته إلى أحد الإلكترونات شبه الخالية، على شكل طاقة حركية، كما هو متوقع في تصادم الجسيمات.

نحن نعلم أنه يجب الحفاظ على إجمالي الطاقة والزخم الخطي. بتحليل علاقات الطاقة والزخم هذه للفوتون والإلكترون، ينتهي بك الأمر بثلاث معادلات:

energy

x-component momentum

y-component momentum

بالنسبة للمتغيرات:

phi, زاوية تشتت الإلكترون.

theta, زاوية تشتت الفوتون.

Ee, الطاقة النهائية للإلكترون.

E , الطاقة النهائية للفوتون.

إذا كنا نهتم فقط بطاقة واتجاه الفوتون، فيمكن التعامل مع متغيرات الإلكترون على أنها ثوابت، مما يعني أنه من الممكن حل نظام المعادلات.

من خلال الجمع بين هذه المعادلات واستخدام بعض الحيل الجبرية لإزالة المتغيرات، توصل كومبتون إلى المعادلات التالية (والتي من الواضح أنها مرتبطة ، لأن الطاقة وطول الموجة مرتبطان بالفوتونات):

1 / E – 1 / E = 1/( me c 2) * (1 – cos theta)

lambda – lambda = h/(me c) * (1 – cos theta)

تسمى القيمة h / (me c) الطول الموجي للإلكترون Compton ولها قيمة 0.002426 نانومتر (أو 2.426 × 10^-12 م). هذا بالطبع ليس طول موجي فعليًا، ولكنه في الحقيقة ثابت التناسب لإزاحة الطول الموجي.

إقرأ أيضاً… مقدمة في فيزياء الذرة.

لماذا يدعم هذا الفوتونات؟

يعتمد هذا التحليل والاشتقاق على منظور الجسيمات والنتائج سهلة الاختبار. بالنظر إلى المعادلة، يتضح أنه يمكن قياس الانزياح بأكمله من حيث الزاوية التي يتشتت فيها الفوتون.

كل شيء آخر في الجانب الأيمن من المعادلة ثابت. تظهر التجارب أن هذا هو الحال، مما يوفر دعمًا كبيرًا لتفسير الفوتون للضوء.