تأثير كومپتون

Compton scattering
Feynman diagrams
s-channel
u-channel
Light-matter interaction
Low-energy phenomena	Photoelectric effect
Mid-energy phenomena	تأثير كومپتون
High-energy phenomena	Pair production

تأثير كومبتون في الفيزياء (بالإنجليزية: Compton-Effekt ) تأثير يتسبب في أطالة طول موجة الفوتون عند تشتته على أحد الإلكترونات أوأحد الجسيمات الأولية الآخرى. وقد اكتشف ذلك التشتت العالم الفيزيائي آرثر كومبتون وسمي هذا التأثير على اسمه تخليدا له.

ينطبق تشتت كومبتون أو تأثير كومبتون على الأشعة الكهرومغناطيسية ذات الطاقة العالية ، مثل فوتونات أشعة جاما وفوتونات الأشعة السينية العالية الطاقة عند تشتتها عل جسيمات مثل الإلكترونات والبروتونات وغيرها .

أما إذا كانت الأشعة ذات طاقة منخفضه (أي تكون طول موجتها أكبر بكثير من الجسيمات المشتته عليها) فهذه ينطبق عليها تشتت تومسون.

حاز آرثر كومبتون على اكتشافه هذا التأثير وعلى إنجازاته في مجال فيزياء أشعة جاما على جائزة نوبل للفيزياء عام 1927.

تاريخ الاكتشاف

حتى اكتشاف تأثير كومبتون كان التأثير الكهروضوئي هوالتأثير الوحيد الذي يبين حتى الضوء يتميز بصفات الموجة إلى جانب كونه جسيم أولي ، ذلك الاكتشاف الذي اكتشفه ألبرت أينشتاين عام 1905 عندما قام بتصويب شعاع من الضوء على معدن فأدى ذلك إلى انفصال بعض الإلكترونات عن المعدن (أقرأ ازدواجية موجة-جسيم).

وعندما قام آرثر كومبتون بدراسة تشتت أشعة إكس العالية الطاقة على الجرافيت عام 1922 حصل على مشاهدتين الآتيتين:

1. كانت زاويتي التشتت الأمامية والخلفية ليستا متساويتان ،

2. كانت طول الموجة للشعاع المشتت (المنكسر) أصول من طول موجة الشعاع الساقط.

ولم تكن تلك النتيجة متوافقة مع تصور حتى الموجة الكهرومغناطيسية تتشتت عند اصتدامها بإلكترون حر (تشتت تومسون) أوعند اصتدامها بإلكترون مرتبط بذرته (تشتت رايلي) .

وبينت القياسات التي قام بها كومبتون حتى طول موجة الشعاع المنكسر [المشتت) تتصرف كما لوكان التصادم بين جسيمين أوتصادم فوتون وإلكترون ويعتمد ذلك لى زاوية الانكسار (أنظر أسفله). بذلك أثبت كومبتون الخاصية الجسيمية للضوء أوالخاصية الموجية للإلكترون. فإذا اعتبرت الإلكترونات كموجات مادية واعتبرنا أيضا الضوء كموجة كهرومغناطيسية ، فإننا نحصل على مخطط فاينمان المرسوم أعلاه لتمثيل تأثير كومبتون. ).

معادلة كومبتون

يسقط فوتون ذوطول موجة λ من اليسار ويصتدم بهدف (إلكترون) ثابت ، عندئذ تصبح طول موجة الفوتون المشتت λ′' ويتخذ اتجاه يعمل زاوية θ مع امتداد الشعاع الساقط.

تغير طاقة فوتون وإلكترون بعد تشتت فوتون له طاقة 500 كيلوإلكترون فولت. المحور الأفقي : زاوية التشتت ، والمحور الرأسي :الطاقة كيلوإلكترون فولت.

عندما يصتدم فوتون بإلكترون حر تزيد طول موجة الفوتون بمقدار :

{\displaystyle \Delta \lambda ={\frac {h {mc \left(1-\cos \phi \right)\,.

حيث :

{\displaystyle h

{\displaystyle m

{\displaystyle c

{\displaystyle \phi

زاوية التشتت التي يتحرك فيها الفوتون بعد اصتدامه بالإلكترون .

بالتالي تقل تردد وطاقة الفوتون نظرا لزيادة طول موجته ، في نفس الوقت تزيد طاقة الإلكترون بنفس المقدار (قانون بقاء الطاقة) .

ويعتمد التغير في طول موجة الفوتون فقط على زاوية انكساره ${\displaystyle \phi$ (زاوية تشتته) ، ولا تعتمد على طول موجته الأصلية .

ونظرا لأن جيب التمام للزاوية يساوي صفرا عند التشتت في زاوية ${\displaystyle \phi =90^{\circ$ تصير المعادلة :

{\displaystyle \Delta \lambda =\lambda _{C ={\frac {h {mc =2{, 43\cdot 10^{-12 {\rm {m

ويسمى التغير في طول موجه " طول موجة كومبتون للإلكترون" ، ونظرا لصغرها فهي تظهر بوضوح في حالات الأشعة ذات التردد العالي (أوطول الموجة القصير ) مثل الأشعة السينية وتشتت أشعة جاما.

أما عند زاوية تشتت ${\displaystyle \phi =180^{\circ$ يصبح جيب تمام الزاوية سالبا وأكبر ماقد يكون (= -1 ) ، بحيثقد يكون مقدار زيادة طول موجة الفوتون على الأكثر مساويا ل:

{\displaystyle \Delta \lambda =2\lambda _{C

وفي تلك الحالة فهوينعكس مضادا لاتجاه سقوطه على الإلكترون (ارتداد الفوتون ) .

تطبيقاته

نظرا لصعوبة هجريز أشعة جاما بواسطة عدسة مثلما نعمل مع الضوء ، يلعب تأثير كومبتون دورا مهما عند التصوير بواسطة أشعة جاما في نطاق الطاقة العالية بين عدة مئات إلكترون فولت إلى عشرات مليون إلكترون فولت . وتستخدم تلسكوبات كومبتون ( وتسمى أحيانا كاميرات كومبتون) لقياس طاقة فوتون مشتت واتجاهه ، كما يمكن تعيين طاقة الإلكترون وطاقته أيضا . بذلك يمكن تعيين طاقة الفوتون الساقط ، ومصدره ,أحيانا أيضا مقدار استقطابه. إلا أنه يصعب ذلك القياس بسبب عدم الدقة في تعيين تلك الاحداثيات مثل عدم قياس اتجاه الإلكترون مما يستدعي اللجوء إلى استخدام وسائل التحليل الرياضي وطرق متابعة الحدث لاستنباط المعلومات التي نبحث عنها .

وكان أشهر تلسكوب كومبتون هوذلك الذي كان على متن مسبار ناسا المسمى مرصد كومبتون لأشعة جاما الذي عمل في الفضاء بين عامي 1991 و2000 وكان اول تلسكوب يقوم بمسح فلكي لمصادر أشعة جاما في نطاق طاقة بين 75و0 و30 مليون إلكترون فولت .

ومن نجاحات هذا التلسكوب تسجيل أول خريطة سماوية للاشعة في النطاق المذكور، وكذلك دراسة تخليق العناصر ، مثل تخليق الألمونيوم-26 ، وطذلك رصد مستعرات عظمى ونجوم بالغة الكتلة ، وتخليق عنصر التيتانيوم-44 ، كما ساهم في دراسة النجوم النباضة وكذلك دراسة المجرات النشطة.

كما يجري تطوير لاستخدام كاميرات كومبتون في التشخيص الطبي أوالتقنية النووية . وفي الطب فقد فاقت كاميرات كومبتون كاميرات أشعة كاما المستخدمة حاليا في التشخيص مع تحسن كبير للتباين وتحديد الأحجام ، كذلك في تعيين مواقع الأورام بالتحديد ومواقع الأورام المتفرعة عنها . وسيصبح في المستقبل أيضا مراقبة المؤسسات النووية بواسطة كاميرات كومبتون أوالنفايات النووية .

كما طورت أجهزة فحص المسافرين في المطارات لأغراض الأمن حيث يعمل تشتت أشعة إكس المنعكس Backscatter من الأسطح . وتختبر هذه الأجهزة حاليا في الولايات المتحدة الأمريكية.

انظر أيضا

Thomson scattering
Klein–Nishina formula
Photoelectric effect
Pair production
Timeline of cosmic microwave background astronomy
Peter Debye
Walther Bothe
قائمة موضوعات الفلك
قائمة موضوعات الفيزياء
Washington University in St. Louis (Site of discovery)
Compton Gamma Ray Observatory

الهوامش

^ ; Nachdruck in: , ISBN 0226114309
^ , doi:10.1103/PhysRev.21.483

قراءات إضافية

S. Chen (2006). "Measurement of Deeply Virtual Compton Scattering with a Polarized Proton Target". Physical Review Letters. 97: 072002. doi:10.1103/PhysRevLett.97.072002. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
Compton, Arthur H. (1923). "A Quantum Theory of the Scattering of X-Rays by Light Elements". The Physical Review. 21 (5): 483–502. doi:10.1103/PhysRev.21.483. Unknown parameter |month= ignored (help) (the original 1923 paper on the AIP website)