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Qu'est-ce que l'effet Compton et comment ça marche en physique?

Qu'est-ce que l'effet Compton et comment ça marche en physique?


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L'effet Compton (également appelé diffusion Compton) est le résultat de la collision entre un photon de haute énergie et une cible, qui libère des électrons liés de manière lâche à partir de la coque externe de l'atome ou de la molécule. Le rayonnement diffusé subit un décalage de longueur d'onde qui ne peut pas être expliqué en termes de théorie classique des ondes, appuyant ainsi la théorie des photons d'Einstein. L'implication la plus importante de cet effet est probablement le fait qu'il a été démontré que la lumière ne pouvait pas être entièrement expliquée en fonction des phénomènes d'onde. La diffusion Compton est un exemple de type de diffusion inélastique de la lumière par une particule chargée. La diffusion nucléaire se produit également, bien que l’effet Compton fasse généralement référence à l’interaction avec les électrons.

Cet effet a été démontré pour la première fois en 1923 par Arthur Holly Compton (pour lequel il a reçu un prix Nobel de physique en 1927). L'étudiant diplômé de Compton, Y.H. Woo, plus tard vérifié l'effet.

Comment fonctionne la diffusion Compton

La diffusion est démontrée est illustrée dans le diagramme. Un photon de haute énergie (généralement un rayon X ou un rayon gamma) entre en collision avec une cible, qui contient des électrons faiblement liés dans sa coquille externe. Le photon incident a l'énergie suivante E et dynamique linéaire p:

E = hc / lambda

p = E / c

Le photon donne une partie de son énergie à l'un des électrons presque libres, sous forme d'énergie cinétique, comme prévu lors d'une collision de particules. Nous savons que l’énergie totale et le moment linéaire doivent être conservés. En analysant ces relations d’énergie et de moment pour le photon et l’électron, vous obtenez trois équations:

  • énergie
  • X-component momentum
  • y-component momentum

… En quatre variables:

  • phi, l'angle de diffusion de l'électron
  • thêta, l'angle de diffusion du photon
  • Ee, l'énergie finale de l'électron
  • E', l'énergie finale du photon

Si nous nous soucions seulement de l'énergie et de la direction du photon, les variables électroniques peuvent être traitées comme des constantes, ce qui signifie qu'il est possible de résoudre le système d'équations. En combinant ces équations et en utilisant certaines astuces algébriques pour éliminer les variables, Compton est parvenu aux équations suivantes (qui sont évidemment liées, puisque l'énergie et la longueur d'onde sont liées aux photons):

1 / E' - 1 / E = 1/( me c 2) * (1 - cos thêta)

lambda' - lambda = h/(me c) * (1 - cos thêta)

La valeur h/(me c) est appelé le Longueur d'onde de Compton de l'électron et a une valeur de 0,002426 nm (ou 2,426 x 10-12 m). Ce n'est pas, bien sûr, une longueur d'onde réelle, mais vraiment une constante de proportionnalité pour le décalage de longueur d'onde.

Pourquoi cela soutient-il les photons?

Cette analyse et cette dérivation sont basées sur une perspective particulaire et les résultats sont faciles à tester. En regardant l'équation, il devient clair que tout le décalage peut être mesuré uniquement en termes d'angle auquel le photon est dispersé. Tout le reste du côté droit de l'équation est une constante. Les expériences montrent que tel est le cas, ce qui renforce considérablement l'interprétation de la lumière par les photons.

Anne Marie Helmenstine, Ph.D.



Commentaires:

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