Presentazione Effetto Compton

EFFETTO COMPTON

L'effetto compton, chiamato anche in inglese "Scattering Compton" è una teoria appartenente al campo della fisica quantistica che dimostra definitivamente l'esistenza delle particelle elementari chiamate "fotoni". Evidenzia, in modo sperimentale, la diminuzione dell'energia (aumento della lunghezza d'onda) di un fotone di raggi X o gamma quando esso interagisce con la materia, con la conseguenza che il fotone stesso è anche materia e non solo onda. A causa del cambiamento dell'energia dei fotoni, si definisce processo di diffusione anelastico. Grazie all'esperimento di Compton, oggi sappiamo che il fotone è una delle particelle elementari descritte dal Modello Standard. Appartiene alla categoria dei bosoni (le particelle con spin intero), ha massa nulla e spin 1. I bosoni sono considerati i mediatori delle interazioni, e nel caso del fotone, esso è il mediatore dell'interazione elettromagnetica.

I Il fotone corrisponde al "quanto di energia" della radiazione elettromagnetica ed è stato anche chiamato "quanto di luce". Fu Albert Einstein a teorizzare e comprendere che in un'onda elettromagnetica l'energia è distribuita in pacchetti ben definiti, secondo la formula:E=hfdove "h" è la costante di Planck ed "f" è la frequenza della radiazione elettromgnetica. Nel 1905. Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico, partendo dal presupposto che la radiazione elettromagnetica fosse emessa per pacchetti, cioè quanti di energia, chiamati fotoni. Una radiazione elettromagnetica che ha frequenza "v" , è fatta di fotoni, cioè particelle quantiche, che avranno energia "hv", dove "h" è la costante di Planck, e la sua intensità dipende dal numero di fotoni emessi.

Quando un fotone ad alta frequenza si disperde a causa dell'interazione con una particella carica si verifica una diminuzione dell'energia del fotone (e quindi un aumento della sua lunghezza d'onda). A causa della conservazione dell'energia, l'energia persa dal fotone viene trasferita alla particella che torna indietro. Ciò implica che, laddove la particella che rimbalza inizialmente trasportasse più energia del fotone, accadrebbe il contrario. Questo effetto è noto come "Scattering Compton Inverso" e prevede che il fotone diffuso aumenti di energia.

Partendo da queste basi, nel 1923 il fisico Arthur Holly Compton, mentre studiava la diffusione dei raggi X da parte di elementi leggeri, provò sperimentalmente che, quando questi fotoni, sparati ad alta frequenza, vanno a collidere con una particella carica, in genere con un elettrone, il risultato della collisione è il rilascio libero di radiazione diffusa (scattering) che, vista la lunghezza d'onda, non può essere spiegato in termini di teoria ondulatoria classica e conferma la teoria dei fotoni di Einstein. Infatti, i fotoni possono interagire con la materia a livello atomico (ad esempio effetto fotoelettrico e diffusione di Rayleigh), a livello del nucleo o semplicemente con un elettrone.

L'effetto Compton si discostò significativamente dalle teorie classiche dominanti, utilizzando sia la relatività speciale che la meccanica quantistica per spiegare l'interazione tra fotoni ad alta frequenza e particelle cariche. Per questa sua importante dimostrazione, il prof. Arthur Holly Compton ottenne il Premio Nobel per la Fisica nel 1927.

DIAGRAMMA SCHEMATICO DELL'ESPERIMENTO DI COMPTONLa diffusione Compton si verifica nel bersaglio di grafite R a sinistra. La fenditura lascia passare i fotoni di raggi X sparsi ad un angolo selezionato. L'energia di un fotone diffuso viene misurata utilizzando lo Scattering di Bragg nel cristallo a destra insieme alla camera di ionizzazione; la camera potrebbe misurare l'energia totale depositata nel tempo, ma NON l'energia dei singoli fotoni dispersi.

L'effetto è importante perché dimostra che la luce non può essere spiegata esclusivamente come un fenomeno ondulatorio. La diffusione di Thomson, cioè la teoria classica di un'onda elettromagnetica diffusa da particelle cariche, non può spiegare lo spostamento di bassa intensità nella lunghezza d'onda. La luce deve comportarsi come se fosse costituita da particelle per spiegare lo scattering Compton a bassa intensità. L'esperimento di Compton convinse i fisici che la luce può comportarsi come un flusso di particelle la cui energia è proporzionale alla frequenza.

I I grafici sperimentali di intensità rispetto alla lunghezza d'onda osservati da Compton per i tre angoli di diffusione indicati mostrano due picchi, uno alla lunghezza d'onda dei raggi X incidenti e l'altro a lunghezza d'onda maggiore. La quantità di moto, a differenza dell'energia, è una quantità vettoriale, che incorpora la direzione così come la grandezza, e nella collisione la quantità di moto deve essere conservata in ciascuna delle due direzioni reciprocamente perpendicolari ( quando più di due corpi partecipano ad una collisione, la quantità di moto deve essere conservata in ciascuna delle tre direzioni reciprocamente perpendicolari).

Lo Scattering Compton è di primaria importanza per la radiobiologia poiché l'interazione dei raggi X ad alta energia con i nuclei atomici negli esseri viventi è molto più probabile e viene applicato nella radioterapia.

APPLICAZIONI

Nella fisica dei materiali, l'effetto Compton può essere utilizzato per sondare la funzione d'onda degli elettroni nella materia nella rappresentazione della quantità di moto.

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