Comptonov učinek: ključni element kvantne mehanike

Comtonov učinek je eden od temeljev kvantne mehanike. Leta 1922 je fizik Arthur Holly Compton pojasnil povečanje valovne dolžine rentgenskih žarkov in drugih emisij elektromagnetne energije, ki jih je obravnaval kot sklop diskretnih pulzov ali kvantov elektromagnetne energije.

Comptonov učinek

Kemik Gilbert Lewis (ZDA) je skoval izraz »foton« za kvanti svetlobe. Fotoni imajo svojo energijo in impulze. Imajo tudi valovne lastnosti, kot so valovna dolžina in frekvenca. Fotonska energija je v neposrednem sorazmerju s frekvenco in v obratni dolžini. Comtonov efekt vključuje potiskanje fotonov v posamezne elektrone. Med tem postopkom so njihove energije povezane in pod določenim kotom se pojavlja valni razmik, katerega velikost je odvisna od začetne količine podatkov. Zaradi razmerja med energijo in valovno dolžino imajo razpršeni fotoni večjo dolžino, ki je odvisna tudi od kota, skozi katerega X-žarki so bili poslani.

Comptonovo razprševanje

Neelastično razprševanje fotona na prostem naelektrenem deležu se konča s slabšanjem energije, medtem ko valovna dolžina foton poveča velikost. Del te energije se razprši na bližnje elektrone. Obstaja tudi obraten proces. Comptonovo razprševanje je neelastično, ker je valovna dolžina svetlobe, ki je bila razpršena, drugačna od vpadnega sevanja. Kaj je Compton predlagal? Učinek v tem primeru se lahko šteje za elastično potiskanje. Gibanje elektronov v atomih vodi do povečanja širine Comptonove pasove razpršene svetlobe. To je mogoče razložiti z dejstvom, da za gibanje elektronov dolžina vpadnega sevalnega vala izgleda rahlo spremenjena, velikost sprememb pa je neposredno odvisna od velikosti in smeri hitrosti elektrona.

V čast katerih je učinek dobil svoje ime

Comptonov učinek je dobil ime po imenu Arthur Holly Compton (1892–1962), profesor na Univerzi v Washingtonu, ameriški fizik, ki je leta 1927 za svoje odkritje prejel Nobelovo nagrado. Diplomiral je na Univerzi Worcester in Univerzi Princeton in razvil teorijo o intenzivnosti refleksije rentgenskih žarkov iz kristalov kot sredstva za proučevanje razporeditve elektronov in atomov. Leta 1918 je začel študij. Leta 1919 je bil Compton med prvimi, ki mu je bil podeljen nacionalni svet za raziskave. Sprejet je bil za pripravništvo v laboratoriju Cavendish v Cambridgeu (Anglija) in nato na Univerzi v Washingtonu. Delo z rentgenskimi žarki je izboljšal svojo napravo za merjenje premika valovne dolžine iz kota sipanja.

Interakcija foton-elektronov

Eden najpomembnejših konceptov pri študiju Comptonovega sipanja je foton, ki je po teoriji svetlobe kvant elektromagnetne energije in so vedno v gibanju, in tudi v vakuumu je konstantna hitrost širjenja svetlobe. Comptonov učinek je pomemben, ker kaže, da svetlobe ne smemo obravnavati zgolj kot fenomen valov. Leta 1923 je Compton svetu znanosti predstavil članek, v katerem je izpeljal matematični odnos med premikom valovne dolžine in kotom sipanja rentgenskih žarkov, kar nakazuje, da bo vsak prost foton rentgenskih žarkov začel medsebojno vplivati ​​z enim naelektrenim delcem. To vodi do dejstva, da je elektron dobil del energije in foton, ki vsebuje preostali del energije, ga oddaja v smeri, ki je drugačna od prvotne, medtem ko je skupni zagon sistema ohranjen. Ta učinek je ena izmed treh glavnih oblik fotonske interakcije in glavni vzrok razpršenega sevanja v materialu. To je posledica interakcije rentgenskega ali gama fotona z ekstremnimi (in posledično šibko vezanimi) valenčnimi elektroni na atomski ravni.

Foton v smislu kvantne teorije

V 19. stoletju so se lastnosti valovne svetlobe in elektromagnetno sevanje kot celota popolnoma izkazale. Toda pred tem znanstveniki tem pojavom niso pripisovali velikega pomena. To je bilo tako, dokler je Albert Einstein pojasnil fotoelektrični učinek in prisilil vse, da razumejo, da je treba svetlobno energijo obravnavati kot del kvantizirane teorije. Kot je navedeno zgoraj, ima svetloba valove in delce. Bilo je presenetljivo odkritje in zagotovo onstran običajnega dojemanja stvari. Ker sta energija in velikost impulza sorazmerni z njegovo frekvenco, ima foton po interakciji nižjo frekvenco in valovno dolžino. Ta indikator je odvisen samo od kota, ki nastane med incidentom in razpršenimi žarki. Največji kot raztrosa bo omogočil večjo povečavo. Učinek se uporablja pri preučevanju elektronov v snovi in ​​pri proizvodnji spremenljivih energijskih gama žarkov. Comptonova formula za premikanje Δλ je valovna dolžina svetlobe: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 cos θ), kjer je λ valovna dolžina razpršene svetlobe, θ je kot raztrosa fotona in λ0 = 2.426 × 1010 cm = 0.024 Angstrom (Å). Iz formule je razvidno, da premik valovne dolžine ni odvisen od dolžine vpadnega sevalnega vala. Določen je izključno s kotom sipanja fotona in je največji pod kotom 180 °.

Osnovne lastnosti fotonov

1. Gibanje v prostem prostoru s konstantno hitrostjo.
2. Fotoni nimajo mase.
3. Nosijo energijo in zagon, ki sta prav tako povezana s frekvenco in valovno dolžino.
4. Lahko jih uničimo z absorpcijo sevanja.
5. Fotoni so elektronsko nevtralni in spadajo med redke delce.

Vrednost učinka na različnih področjih znanosti

Comptovo razprševanje, ki se pogosto imenuje nekoherentno sipanje, je pomembno pri atomski energiji (zaščita pred sevanjem), eksperimentalni in teoretični jedrski fiziki, fiziki plazme in atomov, kristalografiji rentgenskih žarkov, fiziki delcev in astrofiziki. Comptonov učinek je pomembno orodje za raziskave v nekaterih vejah medicine, v molekularni kemiji in fiziki trdnega stanja, kot tudi pri uporabi visokoenergetskih pospeševalcev elektronov. To odkritje je bistvenega pomena za radiobiologijo, ker je najprimernejše za interakcijo visokoenergijskih rentgenskih žarkov z atomskimi jedri v živih organizmih in se uporablja pri radioterapiji. Pri fizikalnih materialih lahko ta učinek uporabimo za sondiranje valovne funkcije elektronov v snovi. Compton je odkril tudi pojav popolnega odboja rentgenskih žarkov in njihovo popolno polarizacijo, kar je privedlo do natančnejšega določanja števila elektronov v atomu. Bil je tudi prvi, ki je dobil rentgenske spektre z neposredno metodo merjenja valovne dolžine rentgenskih žarkov. S primerjavo teh spektrov s podatki, pridobljenimi s kristalom, se absolutne vrednosti razdalje med atomi v kristalne rešetke. Compton je držal mesto ameriški predsednik leta 1934. Bil je rektor Univerze v Washingtonu od 1946 do 1953. Veliki fizik je umrl leta 1962 v starosti 69 let.

Neverjetno odkritje

Na podlagi kvantnih idej o naravi svetlobe Comptonov učinek ponazarja eno najbolj temeljnih interakcij med sevanjem in materijo in v zelo vizualni obliki pokaže pravo kvantno naravo elektromagnetnega sevanja. Morda je največja vrednost tega učinka ta, da neposredno in jasno dokazuje, da poleg valovne narave s svojimi prečni nihanji, elektromagnetno sevanje vsebuje tudi delce narave - fotone, ki se ob trku z elektroni obnašajo kot materialne snovi. To odkritje je pripeljalo do razvoja kvantne mehanike in je služilo kot osnova za začetek teorije kvantne elektrodinamike, teorije o interakciji elektronov z elektromagnetnim poljem.