Was ist der Compton-Effekt und wie funktioniert er in der Physik?

Der Compton-Effekt (auch Compton-Streuung genannt) ist das Ergebnis einer Kollision eines energiereichen Photons mit einem Target, das lose gebundene Elektronen aus der äußeren Hülle des Atoms oder Moleküls freisetzt. Die gestreute Strahlung erfährt eine Wellenlängenverschiebung, die mit der klassischen Wellentheorie nicht erklärt werden kann, und unterstützt damit die Einsteinsche Photonentheorie. Die wahrscheinlich wichtigste Implikation des Effekts ist, dass gezeigt wurde, dass Licht aufgrund von Wellenphänomenen nicht vollständig erklärt werden kann. Die Compton-Streuung ist ein Beispiel für eine Art unelastischer Lichtstreuung durch ein geladenes Teilchen. Kernstreuung tritt auch auf, obwohl sich der Compton-Effekt typischerweise auf die Wechselwirkung mit Elektronen bezieht.

Der Effekt wurde erstmals 1923 von Arthur Holly Compton demonstriert (für den er 1927 einen Nobelpreis für Physik erhielt). Comptons Doktorand Y.H. Woo, bestätigte später den Effekt.

Wie Compton Scattering funktioniert

Die Streuung ist im Diagramm dargestellt. Ein energiereiches Photon (im Allgemeinen Röntgen- oder Gammastrahlung) kollidiert mit einem Target, das in seiner Außenhülle lose gebundene Elektronen aufweist. Das einfallende Photon hat die folgende Energie E und linearer Impuls p:

E = hc / Lambda

p = E / c

Das Photon gibt einen Teil seiner Energie in Form von kinetischer Energie an eines der nahezu freien Elektronen ab, wie es bei einer Teilchenkollision zu erwarten ist. Wir wissen, dass Gesamtenergie und Impuls erhalten bleiben müssen. Wenn Sie diese Energie- und Impulsbeziehungen für das Photon und das Elektron analysieren, erhalten Sie drei Gleichungen:

• Energie
• x-Impuls der Komponente
• y-Impuls der Komponente

… In vier Variablen:

• phi, der Streuwinkel des Elektrons
• Theta, der Streuwinkel des Photons
• E_e, die Endenergie des Elektrons
• E', die Endenergie des Photons

Wenn wir uns nur um die Energie und Richtung des Photons kümmern, können die Elektronenvariablen als Konstanten behandelt werden, was bedeutet, dass es möglich ist, das Gleichungssystem zu lösen. Durch Kombinieren dieser Gleichungen und Verwenden einiger algebraischer Tricks zum Eliminieren von Variablen gelangte Compton zu den folgenden Gleichungen (die offensichtlich zusammenhängen, da Energie und Wellenlänge mit Photonen zusammenhängen):

1 / E"- 1 / E = 1/ ( m_e c ²) * (1 - cos Theta)

Lambda' - Lambda = h/ (m_e c) * (1 - cos Theta)

Der Wert h/ (m_e c) heißt das Compton-Wellenlänge des Elektrons und hat einen Wert von 0,002426 nm (oder 2,426 x 10^-12 m). Dies ist natürlich keine tatsächliche Wellenlänge, sondern eine Proportionalitätskonstante für die Wellenlängenverschiebung.

Warum unterstützt dies Photonen??

Diese Analyse und Herleitung basiert auf einer Partikelperspektive und die Ergebnisse sind leicht zu testen. Betrachtet man die Gleichung, so wird deutlich, dass die gesamte Verschiebung nur anhand des Winkels gemessen werden kann, unter dem das Photon gestreut wird. Alles andere auf der rechten Seite der Gleichung ist eine Konstante. Experimente zeigen, dass dies der Fall ist, was die Photoneninterpretation von Licht stark unterstützt.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..