コンプトン効果とは何か、物理学でどのように機能するか

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コンプトン効果 (コンプトン散乱とも呼ばれます) は、高エネルギーの結果です。 光子 ターゲットと衝突し、緩く拘束された状態で解放されます 電子 原子または分子の外殻から。散乱された放射は、古典的な波動理論では説明できない波長シフトを経験するため、アインシュタインの光子理論。おそらく、この効果の最も重要な意味は、光が波動現象によって完全に説明できないことを示したことです。コンプトン散乱は、荷電粒子による光の非弾性散乱の一種の一例です。コンプトン効果は通常、電子との相互作用を指しますが、核散乱も発生します。

この効果は、1923 年に Arthur Holly Compton によって最初に実証されました (これにより、彼は 1927 年に ノーベル賞 物理学で）。コンプトンの大学院生、Y.H.うーん、後で効果を検証。

コンプトン散乱のしくみ

散乱は、図に示されています。高エネルギーの光子 (一般に X 線または ガンマ線 ) は、外殻にゆるく結合した電子を持つターゲットと衝突します。入射光子は次のエネルギーを持っています と および線形運動量 p :

と = hc / ラムダ

p = と / c

光子は、そのエネルギーの一部を、ほぼ自由な電子の 1 つに次の形で与えます。 運動エネルギー 、粒子衝突で予想されるように。全エネルギーと線形運動量が保存されなければならないことはわかっています。光子と電子のこれらのエネルギーと運動量の関係を分析すると、次の 3 つの方程式が得られます。

• エネルギー
• バツ -成分運動量
• よ -成分運動量

... 4 つの変数で:

• ファイ 、電子の散乱角
• シータ 、光子の散乱角
• と_と 、電子の最終エネルギー
• と '、光子の最終エネルギー

光子のエネルギーと方向のみを気にする場合、電子変数は定数として扱うことができます。つまり、連立方程式を解くことができます。これらの方程式を組み合わせ、いくつかの代数的なトリックを使用して変数を削除することにより、コンプトンは次の方程式に到達しました (エネルギーと波長は光子に関連しているため、明らかに関連しています)。

1 / と ' - 1 / と = 1 /( メートル_と c ²) * (1 - cos シータ )

ラムダ ' - ラムダ = 時間 /( メートル_と c ) * (1 - cos シータ )

値 時間 /( メートル_と c ) と呼ばれる 電子のコンプトン波長 値は 0.002426 nm (または 2.426 x 10^-12メートル）。もちろん、これは実際の波長ではなく、実際には波長シフトの比例定数です。

これが Photons をサポートする理由

この分析と導出は粒子の観点に基づいており、結果は簡単にテストできます。方程式を見ると、光子が散乱する角度だけでシフト全体を測定できることが明らかになります。等式の右辺以外はすべて定数です。実験はこれが事実であることを示しており、光の光子解釈に大きな支持を与えています.

によって編集アン・マリー・ヘルメンスタイン博士