Zjawisko Comptona
Dalsze badania właściwości promieni Rontgena doprowadziły w roku 1922 do wykrycia interesującego zjawiska, zwanego zjawiskiem Comptona. Podczas naświetlania grafitu twardymi promieniami Rontgena o częstotliwości v Compton stwierdził istnienie w promieniowaniu rozproszonym fal o częstotliwości v' < v. Próby wyjaśnienia tego zjawiska wykazały, że jest to niemożliwe na gruncie teorii falowej. Podobnie jak
w przypadku zjawiska fotoelektrycznego zachodzi
konieczność traktowania promieniowania rentgenowskiego jako kwantów energii,
którym można przypisywać pewną masę i pęd.
Zjawisko Comptona przedstawia
schematycznie rys. 30.21. Kwant promieniowania hv (foton rentgenowski) pada
wzdłuż osi x na spoczywający elektron. W wyniku sprężystego zderzenia elektron
odrzucony zostaje z prędkością v pod kątem a względem osi x, a równocześnie tor
fotonu odchyla się o kąt β w przeciwną
stronę. Foton oddaje przy zderzeniu część swej energii, a więc po zderzeniu ma
mniejszą częstotliwość v', a dłuższą falę. Przy zderzeniu sprężystym obowiązuje
zasada zachowania energii i pędu, czyli
gdzie p oznacza wektor pędu fotonu przed zderzeniem, p' - wektor pędu fotonu po zderzeniu, pe - wektor pędu elektronu. Uwzględnienie wzorów teorii względności prowadzi do następującego wyrażenia na zmianę długości fali Δλ promienia rozproszonego:
Zgodność wniosków teoretycznych z wynikami doświadczalnymi potwierdza słuszność założeń, w których promieniom rentgenowskim przypisywaliśmy cechy korpuskularne: określoną masę i określony pęd. Trzeba jednak podkreślić, że zjawisko Comptona zachodzi wyraźnie tylko wtedy, gdy padające promienie mają dużą częstotliwość i tylko w przypadku zderzeń fotonów z elektronami słabo związanymi z atomami, gdyż jedynie wtedy można je uważać za swobodne. Gdy elektron jest silnie związany z atomem o dużej masie, nie zachodzi wymiana pędów i energii: rozproszone fotony mają niezmienioną częstotliwość. Na ogół w rozproszonym promieniowaniu rentgenowskim występują promienie zarówno o zmienionej, jak i niezmienionej częstotliwości, z przewagą tych pierwszych.