L'effetto Compton: la chiave di volta della meccanica quantistica

L'effetto Compton è uno dei capisaldi della meccanica quantistica. Nel 1922, il fisico Arthur Holly Compton spiegò l'aumento della lunghezza d'onda dei raggi X e di altre emissioni di energia elettromagnetica, considerandoli come un insieme di impulsi discreti o quanti di energia elettromagnetica.

Effetto Compton

Il chimico Gilbert Lewis (USA) ha coniato il termine "fotone" per i quanti di luce. I fotoni hanno la loro energia e i loro impulsi. Hanno anche caratteristiche d'onda come lunghezza d'onda e frequenza. Energia fotonica è direttamente proporzionale alla frequenza e all'inverso della sua lunghezza. L'effetto Compton implica la spinta dei fotoni su singoli elettroni. Durante questo processo, le loro energie sono collegate, e ad un certo angolo si verifica la diffusione dell'onda, la cui dimensione dipende dalla quantità iniziale di dati. A causa della relazione tra energia e lunghezza d'onda, i fotoni dispersi hanno una lunghezza maggiore, che dipende anche dall'angolo attraverso il quale Raggi X sono stati inviati.

Dispersione Compton

Lo scattering anelastico di un fotone su una particella carica libera termina con un indebolimento dell'energia, mentre lunghezza d'onda il fotone aumenta di dimensioni. Parte di questa energia viene spruzzata su elettroni vicini. C'è anche un processo inverso. La diffusione di Compton è anelastica, perché la lunghezza d'onda della luce che è stata dispersa è diversa dalla radiazione incidente. Cosa suggeriva Compton? L'effetto in questo caso può essere considerato come spinta elastica. Il movimento degli elettroni negli atomi porta ad un aumento della larghezza della banda di Compton di luce diffusa. Ciò può essere spiegato dal fatto che per gli elettroni in movimento, la lunghezza dell'onda di radiazione incidente sembra leggermente trasformata, e l'entità dei cambiamenti dipende direttamente dalla dimensione e dalla direzione della velocità dell'elettrone.

In onore di chi l'effetto ha preso il nome

L'Effetto Compton prese il nome dal nome di Arthur Holly Compton (1892-1962), un professore dell'Università di Washington, un fisico statunitense che vinse il Premio Nobel nel 1927 per la sua scoperta. Laureato all'Università di Worcester e alla Princeton University, ha sviluppato una teoria sull'intensità del riflesso dei raggi X dai cristalli come mezzo per studiare la disposizione degli elettroni e degli atomi. Nel 1918, iniziò i suoi studi. Nel 1919, Compton fu tra i primi a ricevere il National Fellowship Council. Fu accettato per uno stage al Cavendish Laboratory di Cambridge (Inghilterra) e poi all'Università di Washington. Lavorando con i raggi X, ha migliorato il suo apparato per misurare lo spostamento della lunghezza d'onda dall'angolo di diffusione.

Interazione fotone-elettrone

Uno dei concetti più importanti nello studio della diffusione di Compton è un fotone, che, secondo la teoria della luce, è un quanto di energia elettromagnetica e sono sempre in movimento, e anche nel vuoto c'è una velocità costante di propagazione della luce. L'effetto Compton è importante perché dimostra che la luce non dovrebbe essere considerata puramente come un fenomeno ondulatorio. Nel 1923, Compton presentò un articolo al mondo della scienza in cui derivò una relazione matematica tra lo spostamento della lunghezza d'onda e l'angolo di dispersione dei raggi X, suggerendo che ogni fotone a raggi X libero inizierebbe ad interagire con una particella carica. Ciò porta al fatto che l'elettrone riceve una parte dell'energia, e il fotone contenente la parte rimanente dell'energia lo emette in una direzione diversa da quella iniziale, mentre viene preservata la quantità totale di moto del sistema. Questo effetto è una delle tre forme principali di interazione del fotone e la causa principale della radiazione diffusa in un materiale. Ciò è dovuto all'interazione del fotone a raggi X o gamma con gli elettroni di valenza estremi (e, come risultato, debolmente legati) a livello atomico.

Fotone in termini di teoria quantistica

Nel 1800, le caratteristiche della luce ondulatoria e la radiazione elettromagnetica nel suo insieme divennero assolutamente ovvi. Tuttavia, prima che gli scienziati non attribuissero grande importanza a questi fenomeni. Fu così fino a quando Albert Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico e fece capire a tutti che l'energia luminosa avrebbe dovuto essere considerata parte di una teoria quantizzata. Come accennato in precedenza, la luce ha onde e particelle. Fu una scoperta sorprendente, e certamente oltre la normale percezione delle cose. Poiché l'energia e l'ampiezza dell'impulso sono proporzionali alla sua frequenza, dopo l'interazione, il fotone ha una frequenza più bassa e la lunghezza d'onda aumenta. Questo indicatore dipende solo dall'angolo che si forma tra l'incidente e i raggi dispersi. L'angolo maggiore di scattering consentirà un maggiore ingrandimento. L'effetto è utilizzato nello studio degli elettroni in una sostanza e nella produzione di raggi gamma a energia variabile. La formula di Compton per lo spostamento di Δλ è la lunghezza d'onda della luce: Δλ = λ '- λ = λ0 (1 cos θ), dove λ' è la lunghezza d'onda della luce diffusa, θ è l'angolo di diffusione del fotone e λ0 = 2,426 × 1010 cm = 0,024 Angstrom (A). Dalla formula si può vedere che lo spostamento della lunghezza d'onda non dipende dalla lunghezza dell'onda di radiazione incidente. È determinato esclusivamente dall'angolo di diffusione del fotone ed è il più grande con un angolo di 180 °.

Proprietà di base dei fotoni

1. Movimento nello spazio libero a velocità costante.
2. I fotoni non hanno massa.
3. Portano energia e quantità di moto, che sono anche correlate alla frequenza e alla lunghezza d'onda.
4. Possono essere distrutti dall'assorbimento delle radiazioni.
5. I fotoni sono neutrali per via elettronica e sono tra le particelle più rare.

Il valore dell'effetto in vari campi della scienza

La diffusione di Compton, spesso definita dispersione incoerente, è importante nell'energia atomica (protezione dalle radiazioni), fisica nucleare sperimentale e teorica, fisica del plasma e degli atomi, cristallografia a raggi X, fisica delle particelle e astrofisica. L'effetto Compton fornisce uno strumento importante per la ricerca in alcuni settori della medicina, nella chimica molecolare e nella fisica dello stato solido, nonché nell'uso di acceleratori di elettroni ad alta energia. Questa scoperta è di fondamentale importanza per la radiobiologia, perché è più adatta per l'interazione di raggi X ad alta energia con nuclei atomici negli organismi viventi ed è usata nella radioterapia. Nei materiali fisici, questo effetto può essere utilizzato per sondare la funzione d'onda degli elettroni in una sostanza. Compton scoprì anche il fenomeno del pieno riflesso dei raggi X e della loro completa polarizzazione, che portò a una determinazione più accurata del numero di elettroni in un atomo. Fu anche il primo a ottenere gli spettri a raggi X con il metodo diretto di misurare la lunghezza d'onda dei raggi X. Confrontando questi spettri con i dati ottenuti usando un cristallo, i valori assoluti della distanza tra gli atomi in reticolo cristallino. Compton ha tenuto il posto presidente americano società fisica nel 1934. È stato cancelliere dell'Università di Washington dal 1946 al 1953. Il grande fisico morì nel 1962 all'età di 69 anni.

Scoperta incredibile

Basato su idee quantistiche sulla natura della luce, l'effetto Compton illustra una delle interazioni più fondamentali tra radiazione e materia e in una forma molto visiva mostra la vera natura quantistica della radiazione elettromagnetica. Forse il più grande valore di questo effetto è che dimostra direttamente e chiaramente che, oltre alla natura ondulatoria con le sue oscillazioni trasversali, la radiazione elettromagnetica contiene anche particelle di natura - i fotoni che si comportano proprio come le sostanze materiali nelle collisioni con gli elettroni. Questa scoperta portò allo sviluppo della meccanica quantistica e servì da base per l'inizio della teoria dell'elettrodinamica quantistica, la teoria dell'interazione degli elettroni con un campo elettromagnetico.