Цомптонов ефекат: Кејтон за квантну механику

Комптонов ефекат је један од темеља квантне механике. Године 1922. физичар Артхур Холли Цомптон објаснио је повећање таласне дужине рендгенских зрака и других електромагнетних емисија, сматрајући их скупом дискретних импулса или кванта електромагнетне енергије.

Цомптон ефект

Хемичар Гилберт Левис (САД) сковао је термин "фотон" за кванти светлости. Фотони имају своју енергију и импулсе. Они такође имају карактеристике таласа као што су таласна дужина и фреквенција. Фотонска енергија је у директној пропорцији са фреквенцијом и инверзном дужином. Цомптонов ефекат укључује гурање фотона у појединачне електроне. Током овог процеса, њихове енергије су повезане, а под одређеним углом долази до ширења таласа, чија величина зависи од почетне количине података. Због односа између енергије и таласне дужине, распршени фотони имају већу дужину, која такође зависи од угла кроз који Кс-зраке су послате.

Цомптон сцаттеринг

Нееластично распршивање фотона на слободној наелектрисаној честици завршава слабљењем енергије, док таласна дужина повећава се величина фотона. Дио те енергије се распршује на оближње електроне. Постоји и обрнути процес. Комптонско расипање је нееластично, јер је таласна дужина светлости која је била распршена различита од инцидентног зрачења. Шта је Цомптон предложио? Ефекат у овом случају може се сматрати еластичним гурањем. Кретање електрона у атомима доводи до повећања ширине Цомптонове траке распршене светлости. Ово се може објаснити чињеницом да за електрона у покрету дужина упадног зрачења изгледа благо трансформисана, а величина промена директно зависи од величине и правца брзине електрона.

У част коме је учинак добио име

Комптонски ефект добио је име по имену Артхур Холли Цомптон (1892–1962), професор на Универзитету у Вашингтону, амерички физичар који је 1927. добио Нобелову награду за откриће. Дипломирао је на Универзитету у Ворчестеру и Универзитету Принстон, развио теорију интензитета рефлексије рендгенских зрака из кристала као средство за проучавање распореда електрона и атома. Године 1918. почео је студије. Године 1919. Цомптон је био међу првима који су добили награду Националног савета за истраживање. Примљен је на праксу у Лабораторију Цавендисх у Кембриџу (Енглеска), а затим на Универзитету у Вашингтону. Радећи са рендгенским зрацима, побољшао је свој апарат за мерење померања таласне дужине са угла расипања.

Интеракција фотон-електрона

Један од најважнијих концепата у проучавању Цомптон-овог распршења је фотон, који је, према теорији светлости, квант електромагнетне енергије и они су увек у покрету, па чак иу вакууму постоји константна брзина ширења светлости. Цомптонов ефекат је важан јер показује да се светлост не би требала сматрати само феноменом вала. Године 1923. Комптон је представио чланак науци у којем је извео математички однос између помака у таласној дужини и угла расипања рендгенских зрака, сугерирајући да ће сваки слободни рендгенски фотон започети интеракцију са једном наелектрисаном честицом. То доводи до чињенице да је електрон добио део енергије, а фотон који садржи преостали део енергије емитује га у правцу који је различит од почетног, док је укупни момент система сачуван. Овај ефекат је један од три главна облика интеракције фотона и главни узрок расутог зрачења у материјалу. Ово је последица интеракције рендгенског или гама фотона са екстремним (и, као резултат, слабо везаним) валентним електронима на атомском нивоу.

Фотон у квантној теорији

Током 1800-их, карактеристике таласног светла и електромагнетно зрачење у целини постале су апсолутно очигледне. Међутим, пре тога научници нису придали велики значај овим феноменима. То је било све док Алберт Ајнштајн није објаснио фотоелектрични ефекат и натерао све да схвате да је светлосну енергију требало сматрати делом квантизоване теорије. Као што је горе поменуто, светлост има таласе и честице. Било је то запањујуће откриће, а свакако и изван уобичајене перцепције ствари. Пошто су енергија и величина пулса пропорционалне његовој фреквенцији, после интеракције, фотон има мању фреквенцију, а таласна дужина се повећава. Овај индикатор зависи само од угла који се формира између инцидента и распршених зрака. Највећи угао расипања ће омогућити веће увећање. Ефекат се користи у проучавању електрона у супстанци и производњи гама зрачења променљиве енергије. Цомптонова формула за померање Δλ је таласна дужина светлости: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 цос θ), где је λ' таласна дужина распршене светлости, θ је угао расипања фотона, а λ0 = 2.426 × 1010 цм = 0.024 Ангстром (А). Из формуле се види да померање таласне дужине не зависи од дужине таласа упадног зрачења. Она се одређује искључиво углом расипања фотона и највећа је под углом од 180 °.

Основна својства фотона

1. Кретање у слободном простору константном брзином.
2. Фотони немају масу.
3. Они носе енергију и момент, који су такође повезани са фреквенцијом и таласном дужином.
4. Оне се могу уништити апсорпцијом зрачења.
5. Фотони су електронски неутрални и спадају међу најрјеђе честице.

Вредност ефекта у различитим областима науке

Комптонско расипање, често названо некохерентно распршивање, важно је у атомској енергији (заштита од зрачења), експерименталној и теоријској нуклеарној физици, физици плазме и атома, кристалографији рендгенских зрака, физици честица и астрофизици. Цомптонов ефекат представља важан алат за истраживање у неким гранама медицине, у молекуларној хемији и физици чврстог стања, као и коришћење акцелератора високих енергија. Ово откриће је од највеће важности за радиобиологију, јер је најпогодније за интеракцију високо-енергетских рендгенских зрака са атомским језграма у живим организмима и користи се у радиотерапији. У физичким материјалима, овај ефекат се може користити за испитивање валне функције електрона у супстанци. Комптон је такође открио феномен пуне рефлексије рендгенских зрака и њихову потпуну поларизацију, што је довело до прецизнијег одређивања броја електрона у атому. Он је такође био први који је добио рендгенски спектар директном методом мерења таласне дужине Кс-зрака. Упоређивањем ових спектара са подацима добијеним коришћењем кристала, апсолутне вредности удаљености између атома у цристал латтице. Комптон је држао ту позицију америцан пресидент физичко друштво 1934. Био је канцелар Универзитета у Вашингтону од 1946. до 1953. године. Велики физичар је умро 1962. у 69. години живота.

Инцредибле дисцовери

На основу квантних идеја о природи светлости, Цомптонов ефекат илуструје једну од најфундаменталнијих интеракција између зрачења и материје иу веома визуелном облику показује праву квантну природу електромагнетног зрачења. Можда је највећа вредност овог ефекта то што показује директно и јасно да поред таласне природе са својим трансверзалним осцилацијама, електромагнетно зрачење садржи и честице природе - фотоне који се понашају као материјалне супстанце у сударима са електронима. Ово откриће довело је до развоја квантне механике и послужило као основа за почетак теорије квантне електродинамике, теорије интеракције електрона са електромагнетним пољем.