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L’effetto Compton è quel fenomeno che si manifesta quando un fotone interagisce con un elettrone, cedendogli parte della sua energia e deviando di un angolo theta la sua direzione iniziale.

Il fenomeno fu osservato per la prima volta da Arthur Compton nel 1923 e divenne ben presto uno dei capisaldi per la descrizione quantistica della luce.

Esperimento di Compton

L’esperimento che Compton realizzò, consisteva nell’irraggiare un bersaglio di grafite (un conduttore in cui gli elettroni sono debolmente legati) con raggi X.

Classicamente ci si aspettava che la radiazione assorbita dal materiale mettesse in movimento gli atomi e questi iniziano ad oscillare. Oscillando gli atomi emettono radiazione con la stessa frequenza dalla radiazione che ha colpito la materia.

Si osserva che la radiazione arriva in una sola direzione, ma gli atomi la riemettono in tutte le direzione (processo di diffusione).

Ci si aspettava che la radiazione riemessa dagli atomi avesse sempre la stessa frequenza, ma si osserva che la λ della radiazione emessa aumenta con l’aumentare di θ, angolo tra la λ iniziale e la λ diffusa. (aumentando l’angolo diminuisce l’energia dei raggi X).

Se θ=0 c’è un solo picco relativo alla λ iniziale. ciò significa che tutti i fotoni vengono riemessi con la λ iniziale

Se θ=90° c’è un picco relativo alla λ iniziale e un secondo picco con λ maggiore di quella iniziale

Si nota che a tutti gli angoli c’è sempre un picco relativo alla λ iniziale Compton ipotizza che l’urto tra fotone e elettrone sia elastico.

Valgono quindi i principi di conservazione di energia e quantità di moto.

Risolvendo le equazioni delle leggi di conservazione si ricava che

h/mc=costante sperimentalmente misurata da Compton = 2,43 × 10-12 m.

Sperimentalmente trova che la differenza tra la λ’ (λ diffusa ad un certo angolo θ) e la λ iniziale è uguale ad una costante che non dipende dal materiale per (1-cos θ). Questo spiega perchè aumentando l’angolo θ aumenta la λ: se aumenta θ, aumenta l’energia che il fotone incidente dà all’elettrone. Il fotone diffuso avrà quindi energia minore, dunque frequenza minore, dunque λ maggiore.

Si spiega anche perchè ad ogni angolo è sempre presente il picco relativo alla λ iniziale: se il fotone urta con elettroni fortemente legati al nucleo, l’urto non è con un elettrone libero, ma con l’intero atomo. Dato che la massa atomica è > della massa dell’elettrone, h/mc tende a 0, dunque la Δλ tende a 0. Dato che non c’è Δλ si osserva solo λ iniziale.

L’effetto Compton è l’esperimento che dimostra che il fotone è una particella dotata di quantità di moto (P) pari a E/c

P=hf/c

Questo era l’effetto Compton  
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