Scientia

Albert Einstein explicase încă din 1905 efectul fotoelectric folosind un concept revoluţionar, cuanta de lumină. Pentru a convinge un număr important de sceptici a fost nevoie însă de observaţiile unui fizician american, Arthur Compton, care a reconfirmat teoria lui Einstein când a explicat efectul care îi poartă numele.

Introducerea conceptului de cuantizare a energiei la început de secol XX

Planck introdusese constanta ce îi poartă numele pentru a explica radiaţia emisă de un corp ideal, absolut negru, iar Einstein folosise în 1905 această valoare pentru a lămuri efectul fotoelectric, un proces în cadrul căruia lumina care cade pe o suprafaţă metalică dă naştere unui curent electric. Constanta lui Planck definea cantitatea de energie pe care o asociem unui foton (cuanta de energie electromagnetică) de o anumită frecvenţă, energie care se exprimă prin formula E=h*ν, unde h este constanta lui Planck, iar ν frecvenţa radiaţiei electromagnetice. Calculele şi observaţiile lui Planck privind radiaţia corpului absolut negru sugeraseră, iar interpretarea einsteiniană a efectului fotoelectric introdusese ideea de cuantizare a energiei.

Electromagnetismul clasic primeşte o nouă lovitură

Viziunea maxwelliană, clasică, bazată pe natura exclusiv ondulatorie a undelor electromagnetice, deşi nu dăduse explicaţii consistente pentru cele două fenomene anterior amintite, reprezenta o veritabilă dogmă pentru fizicieni la începutul secolului XX. Deşi structura corpusculară a luminii oferise o explicaţie riguroasă pentru efectul fotoelectric, ideea nu fusese îmbrăţişată pe scară largă.

În ce constă efectul Compton?

Efectul fotoelectric a pus în evidenţă faptul că la ciocnirea fotonului cu un electron din structura unui metal se respectă legile de conservare a energiei. Energia fotonului incident este de un ordin de mărime comparabil cu cel al energiei care ţine electronul legat de nucleu, câţiva electronvolţi (eV). Atunci când fotonul ciocneşte electronul, el posedă şi cedează exact energia necesară dislocării electronului din structura metalică.

Compton şi-a pus întrebarea următoare: ce se întâmplă atunci când fotonul are o energie mult mai mare (de pildă, în zona razelor X fotonii au energii de câţiva kiloelectronvolţi) ?

La momentul în care Compton a efectuat, în 1923, faimosul său experiment, se ştia de ceva timp că dacă un material este supus acţiunii radiaţiei Roentgen (raze X), în cadrul acestui proces rezultau aşa-numitele pe atunci "raze secundare". Compton a încercat şi a reuşit să demonstreze că această "radiaţie secundară" lua naştere în urma împrăştierii (difuziei) razelor X incidente la contactul cu electronii din structura materialului.

Montajul experimental şi observaţiile lui Compton

S-a constatat că lungimea de undă λ^' a radiaţiei difuzate depinde doar de unghiul de difuzie θ (creşte când unghiul creste de la 0 la 90 de grade), nu şi de substanţa difuzantă (în acest caz grafitul). Unghiul de difuzie θ (vezi figura de mai sus) este unghiul dintre direcţia de propagare a radiaţiei incidente şi cea în care se propagă radiaţia difuzată (împrăştiată).

Fenomenul observat, şi anume că pentru diverse unghiuri de împrăştiere a radiaţiei incidente, pe lângă radiaţii cu lungimea de undă egală cu a radiaţiei incidente, apare şi o altă radiaţie, cu lungimea de undă mai mare, a primit numele de efect Compton. Fenomenul este cunoscut şi drept "împrăştiere Compton". Compton a făcut publice observaţiile sale în cadrul unei lucrări publicate în acelaşi an, 1923, şi intitulată "Radiaţii secundare produse de către radiaţiile X". Pentru descoperirile sale din 1923, lui Compton i-a fost acordat în 1937 Premiul Nobel pentru fizică, pe care l-a împărţit cu Charles Thomson Rees Wilson. Comitetul Nobel a precizat că premiul i-a fost acordat "for his discovery of the effect named after him".

Explicaţia propusă de Compton

Conform teoriei clasice, undele electromagnetice incidente ar trebui să provoace oscilaţia electronului cu o frecvenţă egală cu a radiaţiei Roentgen. Pe cale de consecinţă, electronul ar trebui să radieze energie de aceeaşi frecvenţă cu cea a radiaţiei Roentgen incidente. Numai că experimentul lui Compton a arătat că o parte a radiaţiei difuzate are lungimi de undă mai mari decât radiaţia incidentă. Fenomenul nu putea fi explicat exclusiv pe baza teoriei clasice, aşa cum fusese cazul şi cu radiaţia corpului negru sau cu efectul fotoelectric.

Împrăştierea Compton

Compton propune o explicaţie plecând de la ideea că radiaţia incidentă are natură corpusculară. El ajunge empiric la o formulă pentru lungimea de undă a radiaţiei difuzate de forma: λ^'-λ=λ_c(1-cosθ), unde λ_c este o constantă (lungimea de undă Compton) care are valoarea 2,426x10^-12 m = 2,426x10^-2  Å. Relaţia aceasta se respectă indiferent de materialul folosit, ceea ce indică faptul că fenomenul observat descrie o proprietate a constituenţilor de bază ai materiei, iar nu una a vreunei anume substanţe. Ulterior au fost explicitate matematic legile de conservare a energiei şi impulsului la ciocnirea dintre raza X incidentă (corpusculul incident) şi electronul slab legat în structura cristalului de grafit folosit. Calculele matematice efectuate pe baza ecuaţiilor de conservare a energiei şi impulsului în sistemul descris de figura de mai sus au condus la o formulă foarte asemănătoare:

λ - lungimea de undă a fotonului incident
λ^' - lungimea de undă a fotonului după împrăştiere
m_e - masa electronului
θ - unghiul sub care se schimbă direcţia de deplasare a fotonului (unghiul de difuzie)
h - constanta lui Planck
c - viteza luminii.

O comparaţie între efectul fotoelectric şi împrăştierea Compton

Atât efectul fotoelectric, cât şi efectul Compton fac referire la interacţiuni dintre radiaţia electromagnetică şi electroni, ambele putând fi explicate doar luând în considerare natura corpusculară a undelor electromagnetice. Efectele sunt diferite deoarece, dacă în cazul undelor electromagnetice din zona spectrului vizibil fotonul îşi transferă întreaga energie electronului, în cazul razelor X radiaţia Roentgen incidentă este împrăştiată la contactul cu electronul, fenomen însoţit de creşterea lungimii de undă a fotonului difuzat.

Energia iniţială a fotonului incident este transformată în energie cinetică a electronului de recul şi în energie de natură electromagnetică, asociată fotonului rezultat în urma împrăştierii, cu o valoare mai mică (corespunzătoare unei lungimi de undă mai mari). O cuantă de energie mare (λ corespunzător  razelor X) este înlocuită de una cu energie mai puţină (λ^' >λ), iar diferenţa de energie este responsabilă pentru reculul electronului slab legat.

În cazul razelor X energia unei cuante este mult mai mare decât energia care ţine electronul legat de atomul din materialul solid. Electronul este dislocat din structura solidului într-un fenomen similar unei ciocniri elastice, fenomen pe care îl putem privi prin prisma conservării energiei şi impulsului particulelor implicate în respectiva interacţiune. În cadrul ambelor fenomene (efectele fotoelectric şi Compton) radiaţia electromagnetică manifestă proprietăţi care nu pot fi explicate în mod consistent decât considerând-o ca fiind formată din particule energetice - fotonii - corpusculi cu energie şi impuls proprii şi care se supun legilor de conservare a acestor mărimi.

___________
Bibliografie:
Paul Davies and John Gribbin - The matter myth
http://www.uni-leipzig.de/~prakphys/O-21e-Compton-Effect-m219.pdf
http;//www.nobelprize.org
http://www.msl.utcluj.ro/down/Cursul%20Nr1.pdf
http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Vasile_Popescu_-_Fizica_2_2008/curs6.pdf
http://www.youtube.com
http://en.wikipedia.org