Het Compton-effect (ook wel Compton-verstrooiing genoemd) is het resultaat van een hoge energie foton botsen met een doelwit, dat losjes loskomt elektronen van de buitenste schil van het atoom of molecuul. De verstrooide straling ervaart een golflengteverschuiving die niet kan worden verklaard in termen van klassieke golftheorie, en ondersteunt daarmee Einstein's foton theorie. Waarschijnlijk is de belangrijkste implicatie van het effect dat het aantoonde dat licht niet volledig verklaard kon worden volgens golfverschijnselen. Comptonverstrooiing is een voorbeeld van een type niet-elastische verstrooiing van licht door een geladen deeltje. Nucleaire verstrooiing komt ook voor, hoewel het Compton-effect doorgaans verwijst naar de interactie met elektronen.
Het effect werd voor het eerst aangetoond in 1923 door Arthur Holly Compton (waarvoor hij een 1927 ontving) Nobelprijs in de natuurkunde). Compton's afgestudeerde student, Y.H. Woo, later het effect geverifieerd.
Hoe Compton Scattering werkt
De verstrooiing wordt gedemonstreerd in het diagram. Een hoogenergetisch foton (meestal röntgenfoto of Gamma-straal) botst met een doelwit, dat losjes gebonden elektronen in de buitenste schil heeft. Het invallende foton heeft de volgende energie E en lineair momentum p:
E = hc / lambdap = E / c
Het foton geeft een deel van zijn energie aan een van de bijna vrije elektronen, in de vorm van kinetische energie, zoals verwacht bij een deeltjesbotsing. We weten dat totale energie en lineair momentum behouden moeten blijven. Door deze energie- en momentumrelaties voor het foton en elektron te analyseren, krijg je drie vergelijkingen:
- energie
- X-component momentum
- y-component momentum
... in vier variabelen:
- phi, de verstrooiingshoek van het elektron
- theta, de verstrooiingshoek van het foton
- Ee, de eindenergie van het elektron
- E', de uiteindelijke energie van het foton
Als we alleen om de energie en richting van het foton geven, kunnen de elektronenvariabelen als constanten worden behandeld, wat betekent dat het mogelijk is om het systeem van vergelijkingen op te lossen. Door deze vergelijkingen te combineren en enkele algebraïsche trucs te gebruiken om variabelen te elimineren, kwam Compton tot een oplossing de volgende vergelijkingen (die uiteraard gerelateerd zijn, aangezien energie en golflengte gerelateerd zijn aan fotonen):
1 / E' - 1 / E = 1/( mec2) * (1 - cos theta)lambda' - lambda = h/(mec) * (1 - cos theta)
De waarde h/(mec) heet de Compton-golflengte van het elektron en heeft een waarde van 0,002426 nm (of 2,426 x 10-12 m). Dit is natuurlijk geen echte golflengte, maar echt een evenredigheidsconstante voor de golflengteverschuiving.
Waarom ondersteunt dit fotonen?
Deze analyse en afleiding zijn gebaseerd op een deeltjesperspectief en de resultaten zijn eenvoudig te testen. Als we naar de vergelijking kijken, wordt het duidelijk dat de hele verschuiving puur kan worden gemeten in termen van de hoek waaronder het foton wordt verstrooid. Al het andere aan de rechterkant van de vergelijking is een constante. Experimenten tonen aan dat dit het geval is en geven een grote ondersteuning aan de fotoninterpretatie van licht.
Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.