اطلاعات اولیه

زمانی که یک پرتو نور بر روی ماده می تابد ، انواع برهمکنش مختلف بین فوتون و ماده متصور است. از جمله این برهمکنش ها به اثر کامپتون معروف است. می توان گفت که این اثر مستقیم ترین گواه بر طبیعت ذره ای تابش می باشد. در زندگی روزمره خود بارها این مشاهده می کنیم. به عنوان مثال با عناصر موجود در اتمسفر زمین اندرکنش انجام می دهد.

تاریخچه

پایه محکم دیگر برای فرضیه کوانتومی نور ، توسط فیزیکدان امریکایی ، آرتور کامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. کامپتون نوازنده گیتار ، قهرمان تنیس و محقق نامداری در بررسی اشعه کیهانی بود. کامپتون دانشمند تجربی کار متعصبی بود که میل داشت برخورد کوانتوم های نور و الکترونها را ، عینا مانند برخورد گلوله های عاج بر روی میز بیلیارد ، تصور و تجسم کند. اثر کامپتون مستقیم ترین گواه بر طبیعت ذره ای تابش است.

نظریه کلاسیک پراکندگی امواج الکترومغناطیسی

وقتی امواج الکترومغناطیسی تکفام به ذره بارداری که اندازه آن از طول موج تابشی خیلی کمتر است برخورد کند ، اصولا میدان الکتریکی متغیر سینوسی موج بر روی این ذره باردار اثر می گذارد. این ذره تحت تاثیر این نیروی الکتریکی متغیر ، با همان بسامد تابش فرودی ، حرکت نوسانی هماهنگ انجام می دهد و چون به طور پیوسته شتاب می گیرد ، در تمام جهات با همان بسامد تابش الکترومغناطیسی تابش می کند.
بنابراین نظریه کلاسیک پیشگویی می کند که تابش پراکنده دارای همان بسامد تلاش فرودی خواهد بود. ذره باردار نقش یک عامل انتقال را بازی می کند ، زیرا انرژی را از پرتو فرودی می گیرد و مجددا آن را با همان بسامد ، ولی در تمام جهات پراکنده می کند. نظریه کلاسیک پراکندگی برای تابش با طول موجهای مرئی و همه طول موج های بلندتر با تجربه توافق دارد.

نظریه کوانتومی پراکندگی امواج الکترومغناطیسی

در نظریه کوانتومی ، تابش الکترومغناطیسی شامل فوتونهایی است که انرژی هر یک با E=hv بیان می شود. چون یک فوتون را می توان به عنوان یک ذره با جرم سکون صفر ، که با سرعت C در حرکت است ، در نظر گرفت. بزرگی اندازه حرکت خطی متناظر با این فوتون بر اساس رابطه روبروی برابر E/C است ، که با نتیجه نظریه کلاسیک توافق دارد.
هر فوتون در باریکه ای از تابش الکترومغناطیسی تکفام با طول موج λ دارای اندازه حرکتی برابر با h/λ می باشد که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتی که یک باریکه الکترومغناطیسی تکفام را به عنوان مجموعه ای متشکل از فوتونهای ذره گونه ، که هر یک دارای انرژی و اندازه حرکت دقیقا معلوم هستند ، در نظر بگیریم عملا پراکندگی تابش الکترومغناطیسی به صورت برخورد فوتون با یک ذره باردار در می آید. این مسئله صرفا با بکار بردن قوانین بقایای بقای اندازه حرکت وانرژی حل می شود. البته لازم به ذکر است که در کاربرد قوانین بقا ، به جزئیات برهمکنش توجه نمی شود ، بلکه فقط به انرژی کل و اندازه حرکت کل قبل و بعد از برخورد پرداخته می شود.

مشخصات اثر کامپتون

• بررسی خود کامپتون بین یک فوتون و یک الکترون مبتنی بر این فرض است که الکترون پراکنده و باید تقریبا آزاد و ساکن باشد. البته ، هر الکترون موجود در ماده در حرکت است و تا حدی به اتم مادر خویش مقید است ، ولی الکترونهای لایه های بیرونی اتم را می توان عملا آزاد در نظر گرفت ، چون انرژی بستگی آنها خیلی کمتر از انرژی یک فوتون پرتو ایکس است.

• طول موج فوتونها باید درجه اندازه ذره پراکننده باشد. بنابراین اثر کامپتون که در آن فوتون توسط الکترونهای نسبتا آزاد اتم پراکنده می شوند ، توسط پرتوهای ایکس امکان پذیر است.

• در اثر کامپتون برخلاف فوتوالکتریک فوتون نابود نمی شود ، بلکه فوتون بوسیله الکترون پراکنده می شود. در اینصورت مقداری از اندازه حرکت فوتون به الکترونی که در ابتدا ساکن است ، منتقل می کند. بنابراین اندازه حرکت و در نتیجه انرژی فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی خواهد بود. و الکترون نیز دیگر ساکن نخواهد بود.

• تغییر در طول موج فوتون های پراکنده شده به وسیله الکترونها از رابطه زیر تعقیب می کند.

در رابطه فوق ... جرم سکون الکترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانک ، Ө زاویه پراکندگی ، λ طول موج فوتون تابشی و …. طول موج فوتون پراکنده است.

• بر اساس رابطه فوق فوتونهایی که تحت زاویه 180 درجه پراکنده می شوند ، تغییر طول موجی پیدا نمی کنند.
• رابطه فوق زمانیکه ثابت پلانک به سمت صفر میل می کند و جرم سکون الکترون به سمت بینهایت میل کند ، به نظریه کلاسیک پراکندگی تحویل می گردد.

مباحث مرتبط با عنوان