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L’effet Compton (également appelé diffusion Compton) est le résultat de la collision d’un photon à haute énergie avec une cible, qui libère des électrons faiblement liés de l’enveloppe extérieure de l’atome ou de la molécule. Le rayonnement diffusé subit un décalage de longueur d’onde qui ne peut être expliqué en termes de théorie classique des ondes, ce qui vient appuyer la théorie des photons d’Einstein. L’implication la plus importante de cet effet est probablement qu’il a montré que la lumière ne pouvait pas être entièrement expliquée en fonction des phénomènes d’ondes. La diffusion de Compton est un exemple de type de diffusion inélastique de la lumière par une particule chargée. La diffusion nucléaire se produit également, bien que l’effet Compton se réfère généralement à l’interaction avec les électrons.
L’effet a été démontré pour la première fois en 1923 par Arthur Holly Compton (pour lequel il a reçu un prix Nobel de physique en 1927). L’étudiant diplômé de Compton, Y.H. Woo, a par la suite vérifié l’effet.
Comment fonctionne la diffusion Compton
La diffusion est démontrée dans le diagramme. Un photon de haute énergie (généralement un rayon X ou gamma) entre en collision avec une cible, dont l’enveloppe extérieure contient des électrons mal fixés. Le photon incident a l’énergie E et la quantité de mouvement linéaire p suivantes
E = hc / lambdap = E / c
Le photon donne une partie de son énergie à l’un des électrons presque libres, sous forme d’énergie cinétique, comme prévu lors d’une collision de particules. Nous savons qu’il faut conserver l’énergie totale et le moment linéaire. En analysant ces relations d’énergie et de moment cinétique pour le photon et l’électron, on aboutit à trois équations :
- énergie
- la dynamique de la composante x
- la dynamique de la composante « y
… en quatre variables :
- phi, l’angle de diffusion de l’électron
- thêta, l’angle de diffusion du photon
- Ee, l’énergie finale de l’électron
- E’, l’énergie finale du photon
Si nous nous préoccupons uniquement de l’énergie et de la direction du photon, alors les variables de l’électron peuvent être traitées comme des constantes, ce qui signifie qu’il est possible de résoudre le système d’équations. En combinant ces équations et en utilisant quelques astuces algébriques pour éliminer les variables, Compton est arrivé aux équations suivantes (qui sont évidemment liées, puisque l’énergie et la longueur d’onde sont liées aux photons) :
1 / E’ – 1 / E = 1/( me c 2) * (1 – cos theta)lambda’ – lambda = h/(me c) * (1 – cos theta)
La valeur h/(me c) est appelée la longueur d’onde Compton de l’électron et a une valeur de 0,002426 nm (ou 2,426 x 10-12 m). Il ne s’agit pas, bien sûr, d’une longueur d’onde réelle, mais plutôt d’une constante de proportionnalité pour le décalage de longueur d’onde.
Pourquoi cela soutient-il Photons ?
Cette analyse et cette dérivation sont basées sur une perspective de particules et les résultats sont faciles à tester. En examinant l’équation, il devient clair que l’ensemble du déplacement peut être mesuré uniquement en fonction de l’angle de dispersion du photon. Tout le reste du côté droit de l’équation est une constante. Les expériences montrent que c’est le cas, ce qui donne un grand soutien à l’interprétation de la lumière par le photon.
Sous la direction de Anne Marie Helmenstine, Ph.D.
