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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、ターゲットと衝突する高エネルギーの光子の結果であり、原子または分子の外殻から緩く結合した電子を放出します。散乱放射線は、古典的な波動理論の観点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をサポートします。おそらく、この効果の最も重要な意味は、波の現象に従って光を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年にアーサー・ホリー・コンプトン(1927年にノーベル物理学賞を受賞)によって初めて実証されました。コンプトンの大学院生、Y.H。後で、効果を確認しました。

コンプトン散乱の仕組み

散布図が示されています。高エネルギーの光子(通常はX線またはガンマ線)は、外殻に緩く結合した電子を持つターゲットと衝突します。入射光子には次のエネルギーがあります E および線形運動量 p:

E = hc / ラムダ

p = E / c

光子は、粒子衝突で予想されるように、運動エネルギーの形で、そのエネルギーの一部をほとんど自由な電子の1つに与えます。総エネルギーと線形運動量を保存する必要があることを知っています。光子と電子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
  • バツ成分の運動量
  • y成分の運動量

…4つの変数で:

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

光子のエネルギーと方向のみを考慮する場合、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、代数的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 / E' - 1 / E = 1/( me c 2)*(1-cos シータ)

ラムダ' - ラムダ = h/(me c)*(1-cos シータ)

h/(me c)と呼ばれます 電子のコンプトン波長 0.002426 nm(または2.426 x 10)の値を持ちます-12 m)。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。

フォトン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、シフト全体が純粋に光子が散乱する角度で測定できることが明らかになります。方程式の右側にある他のすべては定数です。実験は、これが事実であることを示しており、光の光子の解釈を大きくサポートしています。

アン・マリー・ヘルメンスティーン博士編集



コメント:

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