II.3. Efectul Compton.
Un alt fenomen care a evidențiat existența fotonilor ca particule ale radiațiilor electromagnetice, formulată de Einstein, este efectul Compton. Acest efect a fost descoperit în anul 1923 de către fizicianul american Arthur Compton (1892-1962) pentru care a primit Premiul Nobel în 1927.
Efectul Compton constă în apariția unei radiații cu lungime de undă mai mare decât a radiației incidente.
La împrăștierea razelor X pe un bloc de grafit (C), fasciculul de raze X este împrăștiat sub un unghi θ și ajunge la un spectrometru (D).
Compton a observat că în radiația X împrăștiată la un oarecare unghi θ există, pe lângă radiația incidentă cu lungimea de undă λ0, o radiație cu o lungime de undă λ > λ0, a cărei valoare depinde de unghiul θ.
Considerăm un foton în repaus, cu impulsul inițial p0, care ciocnește elastic un electron liber (numit electron de recul) din materialul respectiv. După ciocnire fotonul are impulsul p și electronul impulsul pe.
Împrăștierea Compton reprezintă creșterea lungimii de undă a unui foton de raze X, la interacțiunea acestuia cu materia, care are loc cu scăderea energiei lui prin ciocnirea cu un electron (scăzând energia, scade și frecvența fotonului care este învers proporțională cu lungimea de undă).
Scriem legile de conservare pentru energia cinetică și pentru impuls:
Cantitatea cu care se mărește lungimea de undă se numește deplasarea Compton:
Lungimea de undă Compton
Observăm că deplasarea Compton, Δ λ, este independentă de natura substanței împrăștietoare, ea depinzând numai de unghiul θ și de constantele universale h, m0, c.
Pentru θ = 0, avem Δλ = 0 (minimă)
Pentru θ = 180°, avem Δλ = 2 ∙ Λ (maximă)
Energia electronului de recul se calculează cu formula:
Unghiul de împrăștiere, φ, al electronului de recul se calculează cu relația:
Emisia și absorbția luminii de către gaze este o dovadă a cuantificării energiei luminoase. Lumina este emisă sau absorbită prin tranziții între nivelurile de energie ale atomilor.
În aceste procese se emit fotoni de frecvență ν și de energie ΔE = h ∙ ν, unde ΔE este și diferența între nivelurile de energie ale atomului.
Efectul fotoelectric, efectul Compton și emisia și absorbția luminii de către gaze sunt fenomene care au convins fizicienii că lumina se poate comporta ca un flux de particule (fotoni) a cărui energie este proporțională cu frecvența radiației.