Click here to load reader

Efectul Compton

  • View
    3.400

  • Download
    106

Embed Size (px)

Text of Efectul Compton

Arthur Holly Compton s-a nascut in Wooster,Ohio,pe 10 septembrie 1892 ,profesor de filosofie si Decanul Facultatii din Wooster. In primii ani la Princeton,Compton a conceput o metoda eleganta pentru a demonstra rotatia Pamantului,dar curand a inceput studiul in domeniul razelor X.El a demostrat o teorie despre intensitatea reflectiei razelor X din cristale,ca mijloc de studiere a aranjamentului electronilor si atomilor,si in 1918 a inceput studiul imprastierii razelor X. Aceasta a condus,in 1922,la desoperirea sa asupra cresterii lungimilor de unda a razelor X datorita imprastierii radiatiilor incidente ale elctronilor liberi,care sugereaza ca cuantele imprastiate au mai putina enrgie decat cuantele razei originale.Acest efect,astazi cunoscut drept "efectul Compton",care ilustreaza clar conceptul particulelor radiatiilor electromagnetice, a fost aprofundat dupa de catre C. T. R. Wilson care, in camera cu nori,a putut demonstra prezenta urmele electronilor ricosati

n fizic , efectul Compton sau mpr tierea Compton reprezint sc derea energiei (i creterea lungimii de und ) a unui foton de raze X saugama, la nteraciunea acestuia cu materia. Exist i mpr tierea Compton invers , unde fotonului i crete energia (sc zndu-i lungimea de und ) la interaciunea cu materia. Cantitatea cu care se m rete lungimea de und se numete deplasare Compton. Dei exist impr tiere Compton nuclear , efectul Compton se refer de regul la interaciunea care implic doar electronii unui atom. Efectul Compton a fost descoperit de Arthur Holly Compton n 1923 i ulterior verificat de studentul s u Y. H. Woo n anii care au urmat. Arthur Compton a primit pentru aceast descoperire Premiul Nobel pentru Fizic n 1927. Importana efectului const n faptul c demonstreaz c lumina nu poate fi explicat doar ca fenomen ondulatoriu. mpr tierea Thomson, teoria clasic a undelor electromagnetice mpr tiate de particule cu sarcin , nu poate explica nicio modificare a lungimii de und .

Pentru a explica mpr tierea Compton, lumina trebuie s se comporte ca i cum ar fi compus din particule. Experimentul lui Compton a convins fizicienii c lumina se poate comporta ca un flux de particule a c rui energie este proporional cu frecvena radiaiei. Interaciunea ntre electroni i fotoni de mare energie are ca rezultat primirea de c tre electron a unei p ri din energie, i emiterea unui foton care conine restul de energie ntr-o direcie diferit de cea a originalului, astfel nct impulsul total al sistemului s se conserve. Dac fotonul mai are suficient energie, procesul poate fi repetat. Dac fotonul are suficient energie (n general civa eV, n preajma energiei fotonilor din domeniul luminii vizibile), poate elibera complet un electron de pe orbita atomic (proces cunoscut sub numele de efect fotoelectric).

Compton a folosit o combinaie de trei formule fundamentale reprezentnd diferitele aspecte ale fizicii clasice i moderne, combinndu-le pentru a descrie comportamentul cuantic al luminii. Lumina ca particul , anterior observat n efectul fotoelectric. Dinamica relativist : teoria relativit ii restrnse Trigonometrie: teorema cosinusului Rezultatul final este Ecuaia mpr tierii Compton: unde este lungimea de und a fotonului nainte de mpr tiere, este lungimea de und a fotonului dup mpr tiere, me este masa electronului, este unghiul de deplasare a direciei fotonului, h este constanta lui Planck, i c este viteza luminii.

Efectul Compton constituie o alt confirmare a teoriei fotonului n detrimentul teoriei ondulatorii i a fost observat (Cotnpton 1924) n mpr tierea razelor X pe electronii liberi (sau slab lega i). Lungimea de und a radia iei mpr tiate este superioar celei a radia iei incidente; diferen a (P variaz n func ie de unghiul dintre direc ia de propagare a radia iei incidente i cea din care se observ lumina mpr tiat , conform formulei date de Compton: J 2U(P ! 4T

mc

sin

2

Se observa ca (P nu depinde de lungimea de unda incident . M rimea , poarta numele de lungime de unda Compton a J Fig.7 mc Efectul hc Compton electronului. P'eoton incidenthc P

U J

foton difuzat

e- electron difuzat

Efectul Compton se refer la mpr tierea radiaiilor Rntgen pe atomi uori. Numele s u este dat de fizicianul Arthur Holly Compton care a studiat fenomenul n anul 1922. El a utilizat un fascicul ngust de radiaie X monocromatic ce interaciona cu o int din grafit. Studiind spectrul radiaiei difuzate cu un spectrometru Rntgen, a constat c , pe lng linia a fasciculului incident, apare i o component cu lungimea de und mai mare (un "satelit rou"). Experimental, rezult c aceasta nu depinde de lungimea de und a radiaiei incidente, ci doar de unghiul de mpr tiere

Compton a obinut urm toarea lege empiric ce exprim dependena lungimii de und a satelitului n raport cu unghiul

Acest rezultat nu era n concordan cu teoria clasic asupra undelor electromagnetice, potrivit c reia radiaia mpr tiat ar fi trebuit s aib aceeai lungime de und cu cea incident . Efectul Compton a fost explicat considernd natura corpuscular a energiei electromagnetice. Noutatea a constat n introducerea impulsului pentru cuanta de energie. Pentru justificarea fenomenului se consider c fotonii incideni ciocnesc elastic electronii din blocul de grafit. Astfel se conserv att energia sistemului ct i impulsul acestuia. Din legea conserv rii energiei obinem unde , este energia fotonului incident; reprezint energia fotonului mpr tiat; este energia cinetic a electronului presupus iniial n repaus; este lucrul mecanic de ieire a electronului din material. Electronii atomilor uori i cei din p turile periferice ale atomilor grei pot fi considerai liberi ntruct energia fotonului incident este de aproximativ 1550 de ori mai mare dect lucrul mecanic de extracie. Aadar, termenul L poate fi neglijat. Expresia energiei cinetice este, conform teoriei relativit ii : este masa electronului aflat n micare; reprezint masa de repaus a electronului; este viteza luminii n vid;

Legea de conservare e energiei devine :

Scriind conservarea impulsului se ob ine impulsul fotonului incident; impulsul fotonului mpr stiat sub unghiul impulsul electronului mpr tiat sub unghiul nlocuind , ,

unde am notat cu

dup ciocnire; , avnd viteza

n teorema cosinusului pentru triunghiul

impulsurilor rezult Din cele dou teoreme de conservare se ob ine expresia unde reprezint lungimea de und Compton.

p

p0

pe

Deoarece lucrul mecanic (L) este foarte mic in comparatie cu ceilalti termeni el se neglijeaza

Se observ c rezultatul teoriei elaborate de Compton este identic cu legea ob inut experimental. n concluzie, efectul descoperit de acesta confirm nc o dat natura corpuscular a radia iilor electromagnetice. Difrac ia electronilor n 1927, Clinton Joseph Davisson i Lester Halbert Germer au eviden iat comportamentul ondulatoriu al electronilor. Experimentul lor a fost una dintre cele mai importante confirm ri a ipotezei lui de Broglie. Ei au utilizat un tun electronic ce trimitea un fascicul de electroni, accelera i sub o diferen de poten ial U, pe un monocristal de nichel. Acesta se comport ca o re ea de difrac ie, facnd posibil observarea unei figuri de interferen .

Conform teoriei difrac iei, se ob ine o valoare maxim a intensit ii undelor rezultate unde pentru este un num r ntreg; este distan a dintre planele cristalografice reprezint diferen a de drum; reprezint lungimea de und a radia iei. este unghiul dintre fasciculul incident i planul cristalografic; Lungimea de und poate fi modificat variind tensiunea de accelerare. Calculnd lungimea de und din rela ia lui de Broglie se ob ine Experimental se constat echivalen a celor dou rela ii. Spre exemplu, pentru maximul de ordinul care se ob ine la i avnd , lungimea de und va fi .

Condi iile respective corespund unei tensiuni de accelerare nlocuind n rela ia lui de Broglie se ob ine aceeai valoare a lunigimii de und

n cadrul fizicii, dualismul corpuscul-und se refer la faptul c materia prezint simultan propriet i corpusculare i ondulatorii. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice, care a nlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun n eviden caracterul ondulatoriu (interferen a, difrac ia, polarizarea), pe cnd altele demonstreaz caracterul corpuscular (emisia i absorb ia luminii,efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazndu-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele n care un obiect era considerat fie o particul , fie o und . Ideea dualit ii a ap rut n leg tur cu natura luminii, Louis de Broglie fiind cel care a generalizat conceptul. n mecanica cuantic , lumina nu este considerat nici und , nici corpuscul n sensul clasic, ci este unitatea celor dou , f r o delimitare precis .

Louis de Broglie afirm c orice particul aflat n micare (electron, proton, atom) are i o comportare ondulatorie. El stabilete relaia ntre lungimea de und asociat i impulsul al particulei: Unde : reprezint constanta lui Planck.

Aceasta mai poate fi scris i sub forma: reprezint masa particulei; Ec este energia cinetic a particulei; este energia total a particulei; V reprezint energia potenial a particulei.

Efectul fotoelectric extern Efectul fotoelectric este un fenomen fizic n care se manifest natura corpuscular a luminii. El const n emisia electronilor de c tre un corp aflat sub aciunea radiaiilor electromagnetice. Pentru explicarea lui, Einstein a presupus c fotonii din care este alc tuit lumina ciocnesc atomii din substana respectiv , fiecare foton incident elibernd cte un electron. Scriind legea de conservare a energiei, se pot justifica legile empirice obinute n studiul acestui efect. Relaia este cunoscut sub numele de legea lui Einstein: Unde , reprezint constanta lui Planck;

este frecven a fotonului incident; este energia fotonului incident, exprimat conform ipotezei lu

Search related