Σκέδαση Κόμπτον

Στη Φυσική, το φαινόμενο Κόμπτον αναφέρεται στη σκέδαση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από φορτισμένα σωματίδια (συνήθως ελαφρώς δέσμια ηλεκτρόνια). Ήταν ένα από τα φαινόμενα που αδυνατούσε να εξηγήσει η κλασική φυσική και μία από τις πρώτες επιτυχίες της κβαντικής θεωρίας. Ονομάστηκε έτσι προς τιμή του Αμερικανού φυσικού Άρθουρ Κόμπτον (Arthur Compton), ο οποίος μελέτησε πειραματικά το πρόβλημα και κατάφερε να το εξηγήσει με τη βοήθεια της κβαντικής θεωρίας. Ο Κόμπτον τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1927 για την ανακάλυψή του.

Περιγραφή του φαινομένου

Φωτόνιο μήκους κύματος λ έρχεται από αριστερά, σκεδάζεται σε ακίνητο στόχο και ένα νέο φωτόνιο μήκους κύματος λ’ φεύγει με γωνία θ ως προς την ευθεία που ορίζει η αρχική διεύθυνση της προσπίπτουσας δέσμης φωτονίων.

Ήδη από το 1922, ο Κόμπτον και οι συνεργάτες του είχαν αποδείξει πως η σκέδαση ακτίνων Χ από ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να εξηγηθούν με τη βοήθεια της κλασικής φυσικής. Σύμφωνα με την κλασική ερμηνεία, οι ακτίνες Χ θέτουν σε ταλάντωση το ηλεκτρόνιο όταν προσπίπτουν πάνω του. Αυτό στη συνέχεια επιταχύνεται και εκπέμπει με τη σειρά του ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία αυτή θα έχει συχνότητα που θα εξαρτάται από τον χρόνο έκθεσης του ηλεκτρονίου στην ακτινοβολία, καθώς και από την ένταση της τελευταίας. Το πείραμα, όμως, έδειχνε πως η συχνότητα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας εξαρτάται μόνο από τη γωνία σκέδασης.^[1] Η κλασική θεωρία ήταν κατά συνέπεια ανεπαρκής για την εξήγηση του φαινομένου.

Ο Κόμπτον εκτέλεσε το πείραμα για διάφορες γωνίες σκέδασης και μετρώντας τα μήκη κύματος και την ένταση των σκεδαζόμενων δεσμών, παρατήρησε ότι υπήρχαν δύο κορυφές στην γραφική παράσταση της έντασης, συναρτήσει του μήκους κύματος.^[1] Η πρώτη κορυφή αντιστοιχούσε σε μήκος κύματος λ, το οποίο ήταν το μήκος κύματος της αρχικής δέσμης. Η δεύτερη κορυφή αντισοιχούσε σε μήκος κύματος λ’, του οποίου η σχέση με τη γωνία σκέδασης φαινόταν (βλέπε σχήμα στα δεξιά) από τον τύπο

{\begin{aligned}\lambda '-\lambda ={\frac {h}{m_{\textrm {e}}c}}(1-\cos \theta )\end{aligned}}

όπου h η σταθερά δράσεως του Πλάνκ, m_e η μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου και c η ταχύτητα του φωτός. Η παραπάνω σχέση ονομάζεται μερικές φορές ως εξίσωση του φαινομένου Κόμπτον (ή απλά εξίσωση του Κόμπτον) και τα αποτελέσματα που έδινε ήταν πολύ κοντά στα αντίστοιχα πειραματικά του Κόμπτον.^[1] Οι υποθέσεις που εισήχθησαν στην θεωρητική της εξαγωγή ήταν:

Η προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια με ενέργεια που δίνεται από τον τύπο του Πλανκ (E=hν)
Τα φωτόνια, όντας σωματίδια, σκεδάζονται από ελαφρώς δέσμια ατομικά ηλεκτρόνια
Τα ηλεκτρόνια κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες
Η ενέργεια και η ορμή πριν και μετά την σκέδαση είναι διατηρούμενες ποσότητες

Για τους λόγους αυτούς το φαινόμενο αυτό υπήρξε ένας από τους πρώτους θριάμβους της κβαντικής θεωρίας.

Παραπομπές

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 Arthur H. Compton (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». The Physical Review 21 (5): 483-502. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2011-08-05. https://web.archive.org/web/20110805040107/http://www.aip.org/history/gap/PDF/compton.pdf. Ανακτήθηκε στις 2011-08-13.

Βιβλιογραφία

Serway, Physics for Scientists & Engineers, vol IV.
Σ. Τραχανάς (2009). Κβαντομηχανική Ι. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

[Compton-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Arthur H. Compton (1923). «A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements». The Physical Review 21 (5): 483-502. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2011-08-05. https://web.archive.org/web/20110805040107/http://www.aip.org/history/gap/PDF/compton.pdf. Ανακτήθηκε στις 2011-08-13.

[1]