Efect ComptonAlbert Einstein explicase încă din 1905 efectul fotoelectric folosind un concept revoluţionar, cuanta de lumină. Pentru a convinge un număr important de sceptici a fost nevoie însă de observaţiile unui fizician american, Arthur Compton, care a reconfirmat teoria lui Einstein când a explicat efectul care îi poartă numele.

 

Introducerea conceptului de cuantizare a energiei la început de secol XX

La începutul secolului trecut, cercetările lui Planck şi Einstein privind radiaţia corpului absolut negru, respectiv efectul fotoelectric, au dat naştere concepţiei conform căreia radiaţia infraroşie şi undele electromagnetice din spectrul vizibil (alături de toate formele de energie electromagnetică) nu puteau fi explicate folosind exclusiv ideile din mecanica newtoniană şi electromagnetismul maxwellian, deoarece în anumite circumstanţe, evidenţiate de unele experimente, radiaţia electromagnetică se comporta asemenea unui flux de particule.

Planck introdusese constanta ce îi poartă numele pentru a explica radiaţia emisă de un corp ideal, absolut negru, iar Einstein folosise în 1905 această valoare pentru a lămuri efectul fotoelectric, un proces în cadrul căruia lumina care cade pe o suprafaţă metalică dă naştere unui curent electric. Constanta lui Planck definea cantitatea de energie pe care o asociem unui foton (cuanta de energie electromagnetică) de o anumită frecvenţă, energie care se exprimă prin formula E=h*ν, unde h este constanta lui Planck, iar ν frecvenţa radiaţiei electromagnetice. Calculele şi observaţiile lui Planck privind radiaţia corpului absolut negru sugeraseră, iar interpretarea einsteiniană a efectului fotoelectric introdusese ideea de cuantizare a energiei.

 

Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric

 

Electromagnetismul clasic primeşte o nouă lovitură

Viziunea maxwelliană, clasică, bazată pe natura exclusiv ondulatorie a undelor electromagnetice, deşi nu dăduse explicaţii consistente pentru cele două fenomene anterior amintite, reprezenta o veritabilă dogmă pentru fizicieni la începutul secolului XX. Deşi structura corpusculară a luminii oferise o explicaţie riguroasă pentru efectul fotoelectric, ideea nu fusese îmbrăţişată pe scară largă.




În 1923, Arthur Holly Compton, un fizician american născut la 10 septembrie 1892 în Wooster, Ohio, oferă dovezi suplimentare potrivit cărora radiaţia electromagnetică are şi o structură corpusculară, iar cuantelor - particulele constituente - li se pot asocia proprietăţi precum energia şi impulsul. Mai mult, la interacţiunea cu materia a acestor corpusculi se respectă şi legile de conservare a energiei şi impulsului. Observaţiile lui Compton au reprezentat la vremea respectivă o binevenită şi necesară reconfirmare a naturii corpusculare a luminii, solidificând astfel noţiunile introduse de Einstein în 1905.

 

Compton pe coperta revistei Time

A.H. Compton (10 septembrie 1892 – 15 martie 1962) pe coperta
numărului din 13 ianuarie 1936 al prestigioasei reviste Time

Credit: wikimedia.org

 

În ce constă efectul Compton?

Efectul fotoelectric a pus în evidenţă faptul că la ciocnirea fotonului cu un electron din structura unui metal se respectă legile de conservare a energiei. Energia fotonului incident este de un ordin de mărime comparabil cu cel al energiei care ţine electronul legat de nucleu, câţiva electronvolţi (eV). Atunci când fotonul ciocneşte electronul, el posedă şi cedează exact energia necesară dislocării electronului din structura metalică.

Compton şi-a pus întrebarea următoare: ce se întâmplă atunci când fotonul are o energie mult mai mare (de pildă, în zona razelor X fotonii au energii de câţiva kiloelectronvolţi) ?

La momentul în care Compton a efectuat, în 1923, faimosul său experiment, se ştia de ceva timp că dacă un material este supus acţiunii radiaţiei Roentgen (raze X), în cadrul acestui proces rezultau aşa-numitele pe atunci "raze secundare". Compton a încercat şi a reuşit să demonstreze că această "radiaţie secundară" lua naştere în urma împrăştierii (difuziei) razelor X incidente la contactul cu electronii din structura materialului.


Montajul experimental şi observaţiile lui Compton

Pentru a studia fenomenul, fizicianul american a “bombardat” cu raze X un bloc de grafit şi a constatat că radiaţia difuzată de electronii “liberi” ai materialului (este vorba de electronii slab legaţi, cu energie de legătură cu atomul părinte mai mică decât cea a fotonului incident) conţine atât o componentă cu aceeaşi lungime de undă cu a radiaţiei incidente, dar şi radiaţii cu lungime de undă mai mare decât radiaţia incidentă. Alături de radiaţia electromagnetică împrăştiată cu o lungime de undă mărită, sistemul conţine şi aşa-zisul "electron de recul", electron iniţial slab legat, considerat liber şi care îşi schimbă energia cinetică sub acţiunea razelor X incidente.

 

Schema de principiu

Schema de principiu a montajului folosit de Compton

 

 

Împrăştierea razelor X putea fi explicată parţial folosind teoriile bazate pe electromagnetismul clasic. Sir J.J. Thomson pusese la punct teoria clasică a undelor electromagnetice împrăştiate de particulele încărcate electric, numai că aceasta nu putea explica modificarea lungimii de undă a radiaţiei difuzate. Compton şi-a propus să măsoare această creştere a lungimii de undă, cât şi dacă acest fenomen depinde în vreun fel de unghiul sub care undele sunt împrăştiate. A imaginat un montaj similar celui de mai sus.

O sursă de raze X putea fi orientată pe unghiul dorit spre o ţintă de grafit. O serie de fante succesive permitea doar undelor difuzate sub un anumit unghi θ (reglabil datorită faptului că orientarea sursei de raze X era reglabilă) să pătrundă în camera spectrometrului. Spectrometrul era format dintr-un cristal care reflecta radiaţiile şi o cameră de ionizare care le detecta. Detaliile tehnice pe care îşi baza funcţionarea montajul nu sunt importante în contextul discuţiei.

Ce contează este că spectrometrul oferea în esenţă un grafic al dependenţei intensităţii radiaţiei difuzate de lungimea de undă a acesteia. S-a observat că pe măsură de unghiul θ creştea, pe grafic apăreau 2 maxime: unul în zona lungimii de undă λ0 a radiaţiei incidente, iar celălalt corespunzător unei lungimi de undă mai mari - λ', o valoare care s-a dovedit că depindea de θ. Interpretarea era foarte simplă: radiaţia împrăştiată de electronii slab legaţi era de două lungimi de undă: cea originală şi una puţin mai mare.

 

 

Efectul Compton

Efectul Compton

 

S-a constatat că lungimea de undă λ' a radiaţiei difuzate depinde doar de unghiul de difuzie θ (creşte când unghiul creste de la 0 la 90 de grade), nu şi de substanţa difuzantă (în acest caz grafitul). Unghiul de difuzie θ (vezi figura de mai sus) este unghiul dintre direcţia de propagare a radiaţiei incidente şi cea în care se propagă radiaţia difuzată (împrăştiată).

 


Animaţie sugestivă care descrie efectul Compton.

Observaţi modificarea nuanţei fotonului incident după contact, fapt care
sugerează mărirea lungimii de undă a fotonului difuzat de electronul slab legat

 

 

Fenomenul observat, şi anume că pentru diverse unghiuri de împrăştiere a radiaţiei incidente, pe lângă radiaţii cu lungimea de undă egală cu a radiaţiei incidente, apare şi o altă radiaţie, cu lungimea de undă mai mare, a primit numele de efect Compton. Fenomenul este cunoscut şi drept "împrăştiere Compton". Compton a făcut publice observaţiile sale în cadrul unei lucrări publicate în acelaşi an, 1923, şi intitulată "Radiaţii secundare produse de către radiaţiile X". Pentru descoperirile sale din 1923, lui Compton i-a fost acordat în 1937 Premiul Nobel pentru fizică, pe care l-a împărţit cu Charles Thomson Rees Wilson. Comitetul Nobel a precizat că premiul i-a fost acordat "for his discovery of the effect named after him".

Explicaţia propusă de Compton

Conform teoriei clasice, undele electromagnetice incidente ar trebui să provoace oscilaţia electronului cu o frecvenţă egală cu a radiaţiei Roentgen. Pe cale de consecinţă, electronul ar trebui să radieze energie de aceeaşi frecvenţă cu cea a radiaţiei Roentgen incidente. Numai că experimentul lui Compton a arătat că o parte a radiaţiei difuzate are lungimi de undă mai mari decât radiaţia incidentă. Fenomenul nu putea fi explicat exclusiv pe baza teoriei clasice, aşa cum fusese cazul şi cu radiaţia corpului negru sau cu efectul fotoelectric.

Imprastierea Compton
Împrăştierea Compton

Credit: wikimedia.org

 

 

Compton propune o explicaţie plecând de la ideea că radiaţia incidentă are natură corpusculară. El ajunge empiric la o formulă pentru lungimea de undă a radiaţiei difuzate de forma: λ'-λ=λc(1-cosθ), unde λc este o constantă (lungimea de undă Compton) care are valoarea 2,426x10-12 m = 2,426x10-2 Å. Relaţia aceasta se respectă indiferent de materialul folosit, ceea ce indică faptul că fenomenul observat descrie o proprietate a constituenţilor de bază ai materiei, iar nu una a vreunei anume substanţe. Ulterior au fost explicitate matematic legile de conservare a energiei şi impulsului la ciocnirea dintre raza X incidentă (corpusculul incident) şi electronul slab legat în structura cristalului de grafit folosit. Calculele matematice efectuate pe baza ecuaţiilor de conservare a energiei şi impulsului în sistemul descris de figura de mai sus au condus la o formulă foarte asemănătoare:

 

Formula efect Compton

 

λ - lungimea de undă a fotonului incident
λ' - lungimea de undă a fotonului după împrăştiere
me - masa electronului
θ - unghiul sub care se schimbă direcţia de deplasare a fotonului (unghiul de difuzie)
h - constanta lui Planck
c - viteza luminii.

O comparaţie între efectul fotoelectric şi împrăştierea Compton

Atât efectul fotoelectric, cât şi efectul Compton fac referire la interacţiuni dintre radiaţia electromagnetică şi electroni, ambele putând fi explicate doar luând în considerare natura corpusculară a undelor electromagnetice. Efectele sunt diferite deoarece, dacă în cazul undelor electromagnetice din zona spectrului vizibil fotonul îşi transferă întreaga energie electronului, în cazul razelor X radiaţia Roentgen incidentă este împrăştiată la contactul cu electronul, fenomen însoţit de creşterea lungimii de undă a fotonului difuzat.

Energia iniţială a fotonului incident este transformată în energie cinetică a electronului de recul şi în energie de natură electromagnetică, asociată fotonului rezultat în urma împrăştierii, cu o valoare mai mică (corespunzătoare unei lungimi de undă mai mari). O cuantă de energie mare (λ corespunzător razelor X) este înlocuită de una cu energie mai puţină (λ' >λ), iar diferenţa de energie este responsabilă pentru reculul electronului slab legat.

În cazul razelor X energia unei cuante este mult mai mare decât energia care ţine electronul legat de atomul din materialul solid. Electronul este dislocat din structura solidului într-un fenomen similar unei ciocniri elastice, fenomen pe care îl putem privi prin prisma conservării energiei şi impulsului particulelor implicate în respectiva interacţiune. În cadrul ambelor fenomene (efectele fotoelectric şi Compton) radiaţia electromagnetică manifestă proprietăţi care nu pot fi explicate în mod consistent decât considerând-o ca fiind formată din particule energetice - fotonii - corpusculi cu energie şi impuls proprii şi care se supun legilor de conservare a acestor mărimi.

 


Bibliografie:
Paul Davies and John Gribbin - The matter myth
http://www.uni-leipzig.de/~prakphys/O-21e-Compton-Effect-m219.pdf
http;//www.nobelprize.org
http://www.msl.utcluj.ro/down/Cursul%20Nr1.pdf
http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Vasile_Popescu_-_Fizica_2_2008/curs6.pdf
http://www.youtube.com
http://en.wikipedia.org