Was ist der Compton-Effekt?
Der Compton-Effekt ist die Übertragung von Energie von Licht und anderen elektromagnetischen Strahlen wie Röntgen- und Gammastrahlen auf stationäre subatomare Teilchen wie Elektronen. Dieser beobachtbare Effekt bestätigt die Theorie, dass Licht aus Teilchen besteht, die Photonen genannt werden. Die übertragene Energie ist messbar und die Wechselwirkung entspricht den Gesetzen der Energieerhaltung. Das heißt, die kombinierte Energie des Photons und des Elektrons vor der Kollision ist gleich der kombinierten Energie der beiden Teilchen nach der Kollision. Ein sekundäres und verwandtes Ergebnis der Kollision von Photonen und Elektronen ist als Compton-Streuung bekannt, die als Richtungsänderung der Photonen nach der Kollision sowie als Änderung ihrer Wellenlänge beobachtet wird.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte der bekannte Physiker Max Planck die Theorie auf, dass elektromagnetische Energie wie sichtbares Licht und andere Strahlung aus einzelnen Energiepaketen besteht, die Photonen genannt werden. Diese Pakete sollten weiterhin massenlos sein, aber individuelle Naturen haben und sich manchmal wie andere subatomare Teilchen mit beobachtbaren Massen verhalten und bestimmte Eigenschaften mit ihnen teilen. Eine Reihe von Experimenten und Berechnungen führten zur Akzeptanz dieser Theorie, und als der Compton-Effekt - die Streuung von Elektronen aufgrund ihrer Absorption von Energie von Photonen - 1923 vom Physiker Arthur Holly Compton beobachtet und aufgezeichnet wurde, wurde Plancks Theorie weiter gestärkt.
Comptons Arbeit an dem Phänomen, das als Compton-Effekt bekannt wurde, brachte ihm später den Nobelpreis für Physik ein. Compton beobachtete, dass Photonen subatomaren Teilchen wie Elektronen Energie verleihen können, wodurch sie gestreut werden oder sich von ihren ursprünglichen Positionen entfernen. Dies kann unter bestimmten Umständen dazu führen, dass die Elektronen von ihren Ausgangsmolekülen getrennt werden, diese ionisieren oder ihre elektrische Nettoladung durch Entfernen des negativ geladenen Elektrons von neutral nach positiv ändern.
Er beobachtete ferner, dass das Photon nach der Kollision eine Zunahme der Wellenlänge aufwies, eine direkte Folge seines Energieverlusts für das Elektron und des Ablenkungswinkels in seiner Richtungsänderung, der als Compton-Streuung bekannt ist. Diese Beziehung wird durch eine Gleichung definiert, die als Compton-Formel bekannt ist. Eine übliche Analogie zur Erklärung des Compton-Effekts ist das Schlagen einer Gruppe stationärer Billardkugeln mit einer sich bewegenden Spielkugel. Der Spielball überträgt etwas Energie auf die anderen Bälle, die sich zerstreuen, wenn sich der Spielball mit reduzierter Geschwindigkeit in eine andere Richtung bewegt. Während Licht eine konstante Geschwindigkeit hat, ist die verringerte Geschwindigkeit des Spielballs analog zum Zustand niedrigerer Energie des Photons nach der Kollision mit einem Elektron, das sich eher durch seine längere Wellenlänge als durch seine verringerte Geschwindigkeit auszeichnet.