Che cos'è l'effetto Compton e come funziona in fisica

L'effetto Compton (chiamato anche scattering Compton) è il risultato di un fotone ad alta energia che si scontra con un bersaglio, che rilascia elettroni vagamente legati dal guscio esterno dell'atomo o della molecola. La radiazione diffusa subisce uno spostamento della lunghezza d'onda che non può essere spiegato in termini di teoria delle onde classiche, fornendo così supporto alla teoria dei fotoni di Einstein. Probabilmente la più importante implicazione dell'effetto è che ha mostrato che la luce non può essere spiegata completamente in base ai fenomeni ondulatori. Lo scattering Compton è un esempio di un tipo di scattering anelastico della luce da parte di una particella carica. Si verifica anche la dispersione nucleare, sebbene l'effetto Compton si riferisca in genere all'interazione con gli elettroni.

L'effetto fu dimostrato per la prima volta nel 1923 da Arthur Holly Compton (per il quale ricevette un premio Nobel per la fisica nel 1927). Dottorando di Compton, Y.H. Woo, successivamente verificato l'effetto.

Come funziona Compton Scattering

Lo scattering è dimostrato è illustrato nel diagramma. Un fotone ad alta energia (generalmente raggi X o raggi gamma) si scontra con un bersaglio, che ha elettroni vagamente legati nel suo guscio esterno. Il fotone incidente ha la seguente energia E e momento lineare p:

E = hc / lambda

p = E / c

Il fotone fornisce parte della sua energia a uno degli elettroni quasi liberi, sotto forma di energia cinetica, come previsto in una collisione di particelle. Sappiamo che l'energia totale e il momento lineare devono essere conservati. Analizzando queste relazioni di energia e momento per il fotone e l'elettrone, si ottengono tre equazioni:

• energia
• X-momento componente
• y-momento componente

... in quattro variabili:

• phi, l'angolo di scattering dell'elettrone
• theta, l'angolo di scattering del fotone
• E_e, l'energia finale dell'elettrone
• E', l'energia finale del fotone

Se ci preoccupiamo solo dell'energia e della direzione del fotone, allora le variabili degli elettroni possono essere trattate come costanti, il che significa che è possibile risolvere il sistema di equazioni. Combinando queste equazioni e usando alcuni trucchi algebrici per eliminare le variabili, Compton è arrivato alle seguenti equazioni (che sono ovviamente correlate, poiché l'energia e la lunghezza d'onda sono correlate ai fotoni):

1 / E'- 1 / E = 1/ ( m_e c ²) * (1 - cos theta)

lambda' - lambda = h/ (m_e c) * (1 - cos theta)

Il valore h/ (m_e c) si chiama Lunghezza d'onda di Compton dell'elettrone e ha un valore di 0,002426 nm (o 2.426 x 10^-12 m). Questa non è, ovviamente, una lunghezza d'onda effettiva, ma una costante di proporzionalità per lo spostamento della lunghezza d'onda.

Perché questo supporta i fotoni?

Questa analisi e derivazione si basano su una prospettiva di particelle e i risultati sono facili da testare. Osservando l'equazione, diventa chiaro che l'intero spostamento può essere misurato semplicemente in termini dell'angolo in cui il fotone viene disperso. Tutto il resto sul lato destro dell'equazione è una costante. Gli esperimenti dimostrano che è così, fornendo un grande supporto all'interpretazione dei fotoni della luce.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph.D.