تعتبر ظاهرة كومبتون واحدة من أهم الظواهر الفيزيائية المهمة، وتم اكتشافها بواسطة أحد العلماء الفيزيائيين المشهورين. تم استخدامها في العديد من المجالات المتعلقة بالطب وغيرها .
ظاهرة كومبتون
يعرف هذا التأثير أيضا باسم تشتت كومبتون، وقد تم اكتشافه من قبل آرثر هولي كومبتون، وهو تشتت الفوتون من خلال جسيم مشحون، عادة إلكترون، مما يؤدي إلى انخفاض في طاقة الفوتون (زيادة في الطول الموجي)، والتي يمكن أن تكون في شكل أشعة سينية أو أشعة غاما، ويسمى هذا التأثير بتأثير كومبتون، ويتم نقل جزء من طاقة الفوتون إلى الإلكترون المتلقي، ويحدث التناثر العكسي للكومبتون عندما ينقل الجسيم المشحون جزءا من طاقته إلى الفوتون .
تفاصيل عن ظاهرة كومبتون
تشتت كومبتون يعد مثالا على تشتت غير مرن للضوء عند اصطدامه بجزيء مشحون حر، حيث يختلف طول موجة الضوء المتشتت عن طول الموجة في الإشعاع الأصلي، وفي تجربة كومبتون الأولى، كانت طاقة الفوتون الشعاعي أكبر بكثير من طاقة الربط الإلكتروني الذري، وبالتالي يمكن التعامل مع الإلكترونات على أنها حرة، ويسمى الزيادة في طول موجة الضوء الناتجة عن التشتت الكومبتون “الانتشار الكومبتون”، على الرغم من وجود تشتت كومبتون النووي، إلا أن ظاهرة كومبتون تشير عادة إلى التفاعل الذي يشمل فقط إلكترونات الذرة، ولقد لاحظ آرثر هولي كومبتون هذا التأثير لأول مرة في عام 1923 في جامعة واشنطن في سانت لويس، وتم التحقق منه أيضا في السنوات التالية من قبل الطالب الدراسات العليا Y. H. Woo، وقد حصل كومبتون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927 لاكتشافه هذه الظاهرة .
تأثير ظاهرة كومبتون
التأثير المهم هو أنه يوضح أن الضوء لا يمكن تفسيره كظاهرة موجية فحسب، ولا يمكن تفسير انتشار طومسون، النظرية الكلاسيكية للموجة الكهرومغناطيسية المنتشرة عن طريق جسيمات مشحونة. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التغير في طول الموجة عند شدة ضوء منخفضة بشكل كلاسيكي إلى تسريع الجسيمات المشحونة بسرعة نسبية نحو إشعاع الضغط الارتدادي وتحول دوبلر المصاحب للضوء المتناثر. ومع ذلك، يصبح التأثير ضئيلا بشكل تعسفي عند شدة ضوء منخفضة بغض النظر عن طول الموجة. وبالتالي، يجب أن يتصرف الضوء كما لو أنه مكون من جسيمات .
إذا أردنا تفسير تشتت كومبتون ذو الكثافة المنخفضة، أو الافتراض بأن الإلكترون يمكن أن يعامل كجسيم غير صحيح، مما يؤدي إلى كتلة إلكترونية لا حصر لها تقريبا تعادل الكتلة النووية (انظر على سبيل المثال التعليق أدناه حول انتشار الأشعة السينية المرنة لهذا التأثير). قد أقنعت تجربة كومبتون علماء الفيزياء بأن الضوء يمكن أن يعامل على أنه تيار من الجسيمات (وتسمى هذه الجسيمات فوتونات)، والتي يتناسب ترددها مع طاقة موجة الضوء. ولكن راجع مقالة جوليان شوينجر حول تقييم شوينجر المختلف لضرورة وجود أي جزيئات على الإطلاق في نظرية التفاعل الكمي الكهرومغناطيسي أو الكميات الكهربائية .
اشتقاق صيغة تشتت كومبتون
– تتمثل العملية في اصطدام الفوتون γ بالطول الموجي مع إلكترون داخل الذرة، حيث يعتبر الإلكترون في حالة الراحة، ويتسبب الاصطدام في ارتداد الإلكترون وإطلاق فوتون جديد ذو طول موجي بزاوية θ من مسار الفوتون الأول. تمكن التفاعل المعروف باسم كومبتون من تسريع الإلكترون أحيانا إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، مما يتطلب استخدام نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين لتفسير الطاقة والزخم بشكل صحيح .
في نهاية ورقة كومتون لعام 1923، تم الإبلاغ عن نتائج التجارب التي تؤكد التنبؤات المتعلقة بتركيبة الفوتونات، مما يدعم فرضية أن الفوتونات تحمل زخما وطاقة كمية، وفي بداية اشتقاقه، كان من المفترض أن يتم تعبير زخم الفوتون من خلال مساواة علاقة آينشتاين المتعلقة بالطاقة الكتلية .