Hamburan Compton
Ketika sebuah foton bertabrakan dengan sebuah elektron, ia memantul seperti bola biliar — kehilangan sebagian energi dan mendapatkan panjang gelombang. Semakin besar sudut pantulnya, semakin panjang gelombangnya bertambah, dan pergeseran panjang gelombang itu hanya bergantung pada sudut hamburan, bukan pada energi awal foton atau hal lain dari tabrakan itu. Ini adalah salah satu bukti paling jelas bahwa cahaya merambat dalam paket-paket seperti partikel yang membawa momentum.
Rumus
Δλ = (h / mₑc) · (1 − cos θ)
- Δλ — pergeseran panjang gelombang (m): seberapa banyak panjang gelombang foton bertambah setelah hamburan
- h / mₑc — panjang gelombang Compton (m): konstanta tetap sebesar 2,43 pikometer, ditentukan oleh massa elektron
- θ — sudut hamburan (°): sudut antara arah datang dan arah keluar foton
Contoh yang diselesaikan
Sebuah foton terhambur langsung dari sebuah elektron pada sudut 90 derajat. Berapa banyak panjang gelombangnya bergeser?
- θ = 90°
- h / mₑc = 2.43 pm
- Δλ = (h / mₑc) · (1 − cos θ)
- Δλ = 2.43 pm · (1 − cos 90°) = 2.43 pm · 1
Δλ = 2.43 pm
Uji diri Anda
Sekarang foton itu memantul lurus ke belakang, pada sudut 180 derajat. Berapa pergeseran panjang gelombangnya?
- Jawaban benar: 4.86 pm
- 2.43 pm
- 1.22 pm
Benar! Pada 180°, cos θ = −1, sehingga (1 − cos θ) = 2, memberikan Δλ = 2.43 pm × 2 = 4.86 pm.
Pada sudut hamburan berapa pergeseran panjang gelombang foton menjadi nol?
- 180°
- 90°
- Jawaban benar: 0°
Benar! Pada 0° foton tidak dibelokkan sama sekali, cos θ = 1, sehingga (1 − cos θ) = 0 dan tidak ada pergeseran.
Di mana Anda melihatnya
Pada citra sinar-X, hamburan Compton adalah kekaburan yang ditinggalkan sebuah foton sinar-X ketika memantul dari sebuah elektron di tubuh Anda dan tiba di detektor dari arah yang salah. Pengukuran Arthur Compton pada tahun 1923 atas panjang gelombang foton pantul yang meregang adalah eksperimen yang membuat para fisikawan akhirnya menerima foton sebagai partikel yang sungguh nyata.
Kesalahan umum
Fakta kuncinya adalah bahwa pergeseran panjang gelombang hanya bergantung pada SUDUT pantulan — bukan pada energi awal foton, bukan pada hal lain apa pun: Δλ = 2.43 pm · (1 − cos θ). Pada 0 derajat tidak ada yang berubah (cos θ = 1 membuat pergeserannya nol — fotonnya nyaris tidak mengalami hamburan), sedangkan pantulan lurus ke belakang pada 180 derajat memberikan nilai maksimum, cos θ = −1, menggandakan pergeseran menjadi 4.86 pm.
Bagaimana ini terhubung
Efek fotolistrik menunjukkan bahwa foton membawa energi; Compton menunjukkan bahwa mereka juga membawa momentum — bola biliar yang memiliki panjang gelombang, memantul dari elektron dengan aturan tumbukan yang sama seperti di modul mekanika. Pertanyaan alami yang timbul dari sini — jika gelombang berperilaku seperti partikel, apakah partikel berperilaku seperti gelombang? — justru adalah pelajaran berikutnya.