Ефект на Комптън

Илюстрация на явлението ефект на Комптън

Ефект на Комптън е вид еластично разсейване на високоенергийни фотони (рентгенови лъчи и гама-лъчи) от свободни или слабосвързани електрони, при което се променя дължината на вълната на фотоните.

Ефектът е открит през 1923 година от американския физик Артър Холи Комптън, който получава Нобелова награда за физика през 1927 г. за откритието си. Открит е независимо и от Петер Дебай в началото на 1923 г.

При разсейването на фотон от електрон честотите на фотона съответно преди и след разсейването $\nu$ и ${\nu }^{\prime }$ са свързани с уравнението:

${\nu }^{\prime }=\nu \frac{1}{1+\frac{h\nu }{m_e{c}^2}(1-\cos \alpha )},$

където $\alpha$ е ъгълът на разсейване (между посоката на разпространение на фотона преди и след разсейването).

Ако се премине към дължина на вълната:

${\lambda }^{\prime }-\lambda ={\lambda }_k(1-\cos \alpha ),$

където ${\lambda }_k=\frac{h}{m_{e}c}$ се нарича комптънова дължина на вълната.

За електрона ${\lambda }_k=2,4263\cdot 10^{-12}$ m. Намаляването на енергията на фотона след комптъновото разсейване се нарича комптъново отместване. В класическата електродинамика разсейването на електромагнитните вълни от електрически заряд (томсъново разсейване, по името на Джоузеф Джон Томсън) не е съпроводено с намаляване на честотата им.

Обяснението на ефекта на Комптън не е възможно в рамките на класическата електродинамика. Според класическата физика електромагнитната вълна е непрекъсната и не би трябвало да променя дължината си при разсейване от свободни електрони. Ефектът на Комптън е директно доказателство за квантуване на електромагнитната вълна и потвърждава съществуването на фотона. Ефектът на Комптън е още едно доказателство за корпускулярно-вълновия дуализъм на микрочастиците и крайъгълен камък на квантовата механика.

Обратен ефект на Комптън

Увеличаването на честотата (енергията) на фотон, който се разсейва от релативистки електрон с по-голяма енергия от енергията на фотона, се нарича обратен ефект на Комптън. Важен е в астрофизиката, където с него се обясняват рентгеновото излъчване от галактически източници, рентгеновата съставляваща на реликтовото лъчение (ефект на Сюнеяв – Зелдович), трансформацията на плазмените вълни във високочестотни електромагнитни вълни.