Diffusion Compton : décalage de longueur d'onde à 90°
1 · Prédire
Un photon de rayon X diffuse un électron libre. La longueur d'onde du photon diffusé change-t-elle, et si oui, l'ampleur du décalage dépend-elle de l'angle de diffusion ?
- Le décalage de longueur d’onde est le même sous tous les angles.
- Oui - le décalage de longueur d'onde augmente avec l'angle de diffusion, atteignant son maximum à 180° (retour droit).
- La longueur d'onde du photon diffusé ne change pas (comme la diffusion d'onde classique).
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage compton-90 et appuyez sur Réinitialiser. La longueur d’onde des rayons X incidents est 0.05 nm.
- Activez la lecture du décalage de longueur d’onde.
- Réglez l’angle de diffusion pour chaque essai et enregistrez le décalage de longueur d’onde.
3 · Collecter les Données
| Angle de diffusion θ (°) | Décalage de longueur d'onde Δλ (pm) |
|---|---|
| 30.00 | |
| 60.00 | |
| 90.00 |
Tracez Δλ (axe y) par rapport à (1 − cos θ) (axe x) pour vos trois essais. La droite passe-t-elle directement par l’origine ?
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez Δλ = (h/(m_ec))(1 − cos θ) en utilisant h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, m_e = 9.109×10⁻³¹ kg, c = 3×10⁸ m/s. Comparez avec le tableau.
- Remarquez que Δλ ne dépend pas du tout de la longueur d'onde incidente, mais uniquement de l'angle. Expliquez pourquoi le décalage Compton est le même, que le rayon X entrant soit 0.05 nm ou 0.5 nm.
5 · Approfondir
- L'expérience 1923 de Compton était une preuve historique que la lumière se comporte comme des particules (photons) avec une impulsion définie, et pas seulement comme des ondes - une image purement ondulatoire ne prédit aucun changement de longueur d'onde lors de la diffusion. Expliquez pourquoi un décalage DÉPENDANT de la longueur d’onde aurait été impossible à expliquer classiquement.
- La constante h/(m_ec) ≈ 2.43 pm est appelée longueur d'onde Compton de l'électron. Expliquez pourquoi cela définit l'échelle de grandeur naturelle indiquant dans quelle mesure la longueur d'onde d'un photon peut se déplacer lors de la diffusion d'un électron.
La physique derrière cette expérience
Formule de diffusion Compton
Un photon diffusé sur un électron libre se déplace vers une longueur d'onde plus longue de Δλ = (h/m_ec)(1 − cos θ), en fonction uniquement de l'angle de diffusion θ — preuve directe que les photons transportent une impulsion comme des particules.