การกระเจิงคอมป์ตัน

เมื่อโฟตอนชนอิเล็กตรอน มันสะท้อนออกเหมือนลูกบิลเลียด — เสียพลังงานไปบางส่วนและความยาวคลื่นยาวขึ้น ยิ่งมุมสะท้อนใหญ่ ความยาวคลื่นยิ่งยืด และค่าเลื่อนนั้นขึ้นกับมุมกระเจิงเท่านั้น ไม่ขึ้นกับพลังงานเดิมของโฟตอนหรืออย่างอื่นในการชน นี่เป็นหนึ่งในบทพิสูจน์ชัดที่สุดว่าแสงเดินทางเป็นก้อนคล้ายอนุภาคที่ถือโมเมนตัม

สูตร

Δλ = (h / mₑc) · (1 − cos θ)

  • Δλ — การเลื่อนความยาวคลื่น (m): ความยาวคลื่นของโฟตอนยาวขึ้นเท่าใดหลังกระเจิง
  • h / mₑc — ความยาวคลื่นคอมป์ตัน (m): ค่าคงที่เท่ากับ 2.43 พิโคเมตร กำหนดโดยมวลอิเล็กตรอน
  • θ — มุมกระเจิง (°): มุมระหว่างทิศเข้ากับทิศออกของโฟตอน

ตัวอย่างที่แก้ไข

โฟตอนกระเจิงตรงออกจากอิเล็กตรอนที่มุม 90 องศา ความยาวคลื่นเลื่อนไปเท่าใด

  • θ = 90°
  • h / mₑc = 2.43 pm
  1. Δλ = (h / mₑc) · (1 − cos θ)
  2. Δλ = 2.43 pm · (1 − cos 90°) = 2.43 pm · 1

Δλ = 2.43 pm

ทดสอบความเข้าใจของคุณ

โฟตอนสะท้อนย้อนตรง ๆ ที่มุม 180 องศา ความยาวคลื่นเลื่อนเท่าใด
  • คำตอบที่ถูกต้อง: 4.86 pm
  • 2.43 pm
  • 1.22 pm

ถูกต้อง! ที่ 180° cos θ = −1 ดังนั้น (1 − cos θ) = 2 ทำให้ Δλ = 2.43 pm × 2 = 4.86 pm

ที่มุมกระเจิงใดค่าเลื่อนความยาวคลื่นของโฟตอนเป็นศูนย์
  • 180°
  • 90°
  • คำตอบที่ถูกต้อง: 0°

ถูกต้อง! ที่ 0° โฟตอนไม่เบี่ยงเบนเลย cos θ = 1 ดังนั้น (1 − cos θ) = 0 และไม่มีการเลื่อน

พบเห็นได้ที่ไหน

ในภาพเอกซ์-เรย์ การกระเจิงของคอมป์ตันคือรอยเบลอที่โฟตอนเอกซ์-เรย์ทิ้งไว้เมื่อมันสะท้อนออกจากอิเล็กตรอนในร่างกายของคุณแล้วมาถึงตัวตรวจจับจากทิศทางที่ผิด การวัดความยาวคลื่นที่ยืดออกของโฟตอนที่สะท้อนกลับโดยอาร์เทอร์ คอมป์ตันในปี 1923 คือการทดลองที่ทำให้นักฟิสิกส์ยอมรับในที่สุดว่าโฟตอนเป็นอนุภาคจริง ๆ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ข้อเท็จจริงสำคัญคือค่าเลื่อนความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับ “มุมสะท้อนเท่านั้น” — ไม่ขึ้นกับพลังงานเดิมของโฟตอน ไม่ขึ้นกับอย่างอื่นเลย: Δλ = 2.43 pm · (1 − cos θ) ที่ 0 องศา ไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง (cos θ = 1 ทำให้ค่าเลื่อนเป็นศูนย์ — โฟตอนแทบไม่กระเจิง) ส่วนการสะท้อนตรงกลับที่ 180 องศาให้ค่ามากสุด cos θ = −1 ทำให้ค่าเลื่อนเพิ่มเป็นสองเท่าเป็น 4.86 pm

เชื่อมโยงอย่างไร

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกแสดงว่าโฟตอนถือพลังงาน คอมป์ตันแสดงว่ามันถือโมเมนตัมด้วย — ลูกบิลเลียดที่มีความยาวคลื่น สะท้อนกลับจากอิเล็กตรอนด้วยกฎการชนชุดเดียวกับโมดูลกลศาสตร์ คำถามที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติจากตรงนี้ — ถ้าคลื่นทำตัวเหมือนอนุภาค อนุภาคจะทำตัวเหมือนคลื่นไหม? — คือเนื้อหาของบทถัดไปพอดี

ลองการจำลองแบบโต้ตอบ

แนวคิดที่เกี่ยวข้อง