Qu'est-ce que l'effet Compton et comment il fonctionne en physique

L'effet Compton (également appelé diffusion Compton) est le résultat de la collision d'un photon de haute énergie avec une cible, qui libère des électrons liés de manière lâche à partir de l'enveloppe extérieure de l'atome ou de la molécule. Le rayonnement diffusé subit un changement de longueur d'onde qui ne peut être expliqué en termes de théorie des ondes classique, soutenant ainsi la théorie des photons d'Einstein. L'implication la plus importante de l'effet est probablement qu'il a montré que la lumière ne pouvait pas être entièrement expliquée en fonction des phénomènes ondulatoires. La diffusion Compton est un exemple d'un type de diffusion inélastique de la lumière par une particule chargée. La diffusion nucléaire se produit également, bien que l'effet Compton se réfère généralement à l'interaction avec les électrons.

L'effet a été démontré pour la première fois en 1923 par Arthur Holly Compton (pour lequel il a reçu un prix Nobel de physique en 1927). L'étudiant diplômé de Compton, Y.H. Woo, plus tard vérifié l'effet.

Fonctionnement de la diffusion Compton

La diffusion est démontrée est illustrée dans le diagramme. Un photon de haute énergie (généralement des rayons X ou des rayons gamma) entre en collision avec une cible, qui a des électrons liés de façon lâche dans sa coquille externe. Le photon incident a l'énergie suivante E et l'élan linéaire p:

E = hc / lambda

p = E / c

Le photon donne une partie de son énergie à l'un des électrons presque libres, sous forme d'énergie cinétique, comme prévu lors d'une collision de particules. Nous savons que l'énergie totale et l'impulsion linéaire doivent être conservées. En analysant ces relations d'énergie et de quantité de mouvement pour le photon et l'électron, vous vous retrouvez avec trois équations:

• énergie
• X-élan des composants
• y-élan des composants

… En quatre variables:

• phi, l'angle de diffusion de l'électron
• thêta, l'angle de diffusion du photon
• E_e, l'énergie finale de l'électron
• E', l'énergie finale du photon

Si nous ne nous soucions que de l'énergie et de la direction du photon, alors les variables électroniques peuvent être traitées comme des constantes, ce qui signifie qu'il est possible de résoudre le système d'équations. En combinant ces équations et en utilisant des astuces algébriques pour éliminer les variables, Compton est arrivé aux équations suivantes (qui sont évidemment liées, car l'énergie et la longueur d'onde sont liées aux photons):

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

lambda" - lambda = h/ (m_e c) * (1 - cos thêta)

La valeur h/ (m_e c) est appelé Compton longueur d'onde de l'électron et a une valeur de 0,002426 nm (ou 2,426 x 10^-12 m). Ce n'est pas, bien sûr, une longueur d'onde réelle, mais vraiment une constante de proportionnalité pour le décalage de longueur d'onde.

Pourquoi cela prend-il en charge les photons?

Cette analyse et dérivation sont basées sur une perspective de particules et les résultats sont faciles à tester. En regardant l'équation, il devient clair que le décalage entier peut être mesuré uniquement en termes d'angle auquel le photon est diffusé. Tout le reste du côté droit de l'équation est une constante. Les expériences montrent que c'est le cas, ce qui donne un grand soutien à l'interprétation des photons de la lumière.

Sous la direction d'Anne Marie Helmenstine, Ph.D.