ZJAWISKO COMPTONA
Badając odkryte w 1896 roku promienie X naukowcy zaobserwowali interesujący fakt. Badano efekt rozpraszania promieni na bloku grafitowym. Źródłem promieni była lampa rentgenowska dająca monochromatyczne promienie X. Wiązka przechodziła następnie przez dwie wąskie szczeliny i padała na blok grafitowy. Następowało rozproszenie. Naukowcy badali długość fal promieni X padających na blok i długość fal promieni rozproszonych. Okazało się, że rozproszone promienie X składają się z fal o dwóch różnych długościach. Jedna z długości była taka sama jak długość fal promieni padających, a druga była od niej większa. Efekt ten występował również dla bloków zbudowanych z innych materiałów. Inną ciekawą cechą zjawiska rozpraszania był fakt, iż wzrost długości fal rozproszonych zależy od kąta rozpraszania.
W 1923 roku Arthur Holly Compton opracował teorię tłumaczącą obserwowane zjawisko. Założył, że fotony promieniowania X, podobnie jak i inne cząsteczki, oprócz energii przenoszą również pewien pęd, a proces rozpraszania jest to po prostu elastyczne zderzanie fotonów promieniowania z elektronami lub całymi atomami.
Pęd każdego fotonu jest odwrotnie proporcjonalny do długości jego fali. Dany on jest wzorem:
(1)
Foton przechodząc przez blok grafitowy może ulec rozproszeniu na znajdujących się w nim elektronach. W świecie atomów, podobnie jak w świecie dużych rozmiarów istnieje kilka wielkości, które zawsze są zachowane. Między innymi są to pęd i energia. W momencie rozproszenia, elektron, na którym się ono dokonuje, uzyskuje pewną prędkość, a więc i energię. Foton musi stracić część swojej energii, całkowita energia foton-elektron pozostaje stała. Z drugiej strony pęd układu przed rozproszeniem, musi być równy końcowemu pędowi układu. Compton wziął pod uwagę obie zasady zachowania. Otrzymał następujące równanie opisujące zależność długości fali fotonu rozproszonego, od długości fali fotonu przed rozproszeniem i kąta rozproszenia:
(2)
m oznacza tutaj masę elektronu.
Jak widzimy - czym większy kąt rozproszenia (cosinus mniejszy),
tym dłuższa będzie fala fotonu rozproszonego.
Wspomnieliśmy wcześniej, że oprócz fotonów o zmienionej długości fali obserwowano również rozproszone fotony o fali identycznej długości co fala pierwotna. Otóż część fotonów zostaje rozproszona nie na wolnych elektronach lecz na całych atomach. Podstawiając do powyższego równania masę atomu (kilka tysięcy razy większą niż masa elektronu), zamiast masy elektronu, okaże się, że drugi składnik prawej strony równości, praktycznie przestaje się liczyć, a więc:
(3)
Tak oto Compton, opierając się na teorii fotonów, wytłumaczył fakty znane z doświadczenia.
