Tán Xạ Compton

Khi một photon va chạm với một electron, nó nảy ra như một quả bóng bi-a — mất một phần năng lượng và tăng bước sóng. Góc nảy càng lớn, bước sóng của nó càng kéo dài, và sự thay đổi bước sóng đó chỉ phụ thuộc vào góc tán xạ, không phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của photon hay bất cứ điều gì khác về va chạm. Đây là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất rằng ánh sáng di chuyển trong các gói giống hạt mang động lượng.

Công thức

Δλ = (h / mₑc) · (1 − cos θ)

• Δλ — sự thay đổi bước sóng (m): bước sóng của photon dài ra bao nhiêu sau khi tán xạ
• h / mₑc — bước sóng Compton (m): một hằng số cố định bằng 2,43 picômét, xác định bởi khối lượng electron
• θ — góc tán xạ (°): góc giữa hướng tới và hướng đi của photon

Ví dụ đã giải

Một photon tán xạ thẳng khỏi một electron ở góc 90 độ. Bước sóng của nó thay đổi bao nhiêu?

• 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

Tự kiểm tra

Bạn thấy điều này ở đâu

Trong một tấm ảnh X-quang, tán xạ Compton là vệt mờ mà một photon tia X để lại khi nó nảy khỏi một electron trong cơ thể bạn và đến máy dò từ một hướng sai. Phép đo năm 1923 của Arthur Compton về bước sóng bị kéo dài của photon nảy lại chính là thí nghiệm khiến các nhà vật lý cuối cùng phải chấp nhận photon là một hạt thực sự.

Những sai lầm phổ biến

Sự thật cốt lõi là độ dịch bước sóng chỉ phụ thuộc DUY NHẤT vào góc nảy — không phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của photon, không phụ thuộc vào bất cứ điều gì khác: Δλ = 2.43 pm · (1 − cos θ). Ở 0 độ không có gì thay đổi (cos θ = 1 khiến độ dịch bằng không — photon hầu như không bị tán xạ), còn cú nảy thẳng ngược lại ở 180 độ cho giá trị lớn nhất, cos θ = −1, nhân đôi độ dịch lên 4.86 pm.

Nó liên kết như thế nào

Hiệu ứng quang điện cho thấy photon mang năng lượng; Compton cho thấy chúng còn mang cả động lượng — một quả bóng bi-a có bước sóng, nảy lùi khỏi các electron theo đúng những quy tắc va chạm của mô-đun cơ học. Câu hỏi tự nhiên nảy sinh từ đó — nếu sóng hành xử như hạt, vậy hạt có hành xử như sóng không? — chính xác là bài học tiếp theo.

Thử mô phỏng

• Tán xạ Compton ở 90°
• Tán xạ ngược Compton (180°)
• Tán xạ Compton ở 45°

Các khái niệm liên quan

• Mô Hình Bohr & Quang Phổ Hiđrô
• Phân Rã Phóng Xạ & Chu Kỳ Bán Rã
• Sóng Vật Chất de Broglie
• Nguyên Lý Bất Định
• Thuyết Tương Đối Hẹp: Giãn Thời Gian
• Năng Lượng Liên Kết Hạt Nhân