Het Compton effect

Compton001 zegelArthur Holly Compton werd geboren in 1892 en was een Amerikaans natuurkundige en winnaar van de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1927 voor de ontdekking van het (naar hem genoemde) Compton-effect. Compton moest de prijs delen met Charles Thomson Rees Wilson, de uitvinder van het nevelvat. Tijdens de Tweede Wereldoorlog had Compton de leiding over de productie van plutonium voor kernwapens, een onderdeel van het Manhattanproject.

compton-scattering11Het Compton-effect overtuigde de natuurkundige wereld van het deeltjeskarakter van licht en was daarom van groot belang in de geschiedenis van de kwantummechanica. Compton liet een röntgenstraal op een blok grafiet vallen. Een deel van de straal ging rechtdoor, een deel boog af onder verschillende hoeken. Deze verstrooide straling had een frequentie gekregen die lager was naarmate de verstrooiingshoek groter was.
Voor de verklaring van dit verstrooiingsfenomeen moest hij  gebruik maken van:
– de eerder door Albert Einstein gebruikt hypothese in het foto-elektrisch effect, d.w.z. het deeltjes karakter van het licht
– de speciale relativiteitstheorie

Hij veronderstelt dat als een foton (in het gebied van de X- of γ-straling ) met een golflengte λi in botsing komt met een zwak gebonden elektron, dit elektron een stoot (impuls) krijgt en dat er een nieuw foton met een golflengte λ wegvliegt onder een hoek θ. Het impuls voor een deeltje met massa m en snelheid v is per definitie p = mv. Het foton heeft een impuls p = h/ λ .

Past men voor deze botsing de wetten van behoud van energie en behoud van impuls toe (rekening houdende met de speciale relativiteitstheorie), dan bekomt men de verstrooiingsformule van Compton:

Λf – λi = h ( 1 – cos θ) / me c

Met me  de massa van het elektron en c de lichtsnelheid.  h/ mc is de Compton golflengte.

Indien het invallend foton een lage maar voldoende energie heeft (= zichtbaar licht of zachte X-stralen) kan het een elektron volledig uit zijn omgeving onttrekken en ontstaat er geen nieuw foton: alle energie wordt gebruikt om het elektron los te slaan. Dat is het zogenaamde foto-elektrisch effect. Zeer hoge energiefotonen kunnen bij botsing met de kern aanleiding geven tot paarproductie – d.w.z. de vorming van een elektron en een positron.

De Compton verstrooiing is o.a. van essentieel belang in de radiobiologie, want het moet de meest waarschijnlijke interactie zijn van gamma- en harde X-stralen met atomen in levende wezens zoals in radiotherapie.