Compton-spredning
From Wikipedia, the free encyclopedia
Compton-spredning er innen fysikken en prosess hvor røntgenstråling eller gammastråling blir spredt av et fritt elektron. Den amerikanske fysiker Arthur Holly Compton viste eksperimentelt i perioden 1921 - 1923 at bølgelengden til den spredte strålingen blir lengre enn bølgelengden til den innkommende strålingen. Den ble også funnet å variere med spredningsvinkelen. Dette fenomenet ble snart omtalt som Compton-effekten. Disse målingene var i klar motstrid med klassisk fysikk hvor denne prosessen kalles Thomson-spredning og gir ingen forandring av bølgelengden.
Compton kunne forklare sine observasjoner ved å anta at strålingen besto av fotoner som Albert Einstein tidligere hadde foreslått. Hvert slikt kvant med lys har energien E = hν hvor h er Plancks konstant og ν frekvensen til strålingen. I kollisjonen blir fotonet spredt til siden samtidig som elektronet blir spredt til den motsatte siden. Fotonet taper derfor energi og får lavere frekvens og dermed lengre bølgelengde som Compton kunne beregne ved sin antagelse. Han fant full overensstemmelse med målingene sine. Han hadde dermed vist at elektromagnetisk stråling også kunne beskrives som partikler med en bestemt energi og impuls. Dette var et viktig teoretisk og eksperimentelt skritt i etableringen av kvantemekanikken og Compton ble belønnet med Nobelprisen i fysikk allerede i 1927.
Mer nøyaktige målinger av spredningstverrsnittet for prosessen i de følgende årene ga resultater som ikke stemte med teoretiske beregninger. Etter at den engelske fysiker Paul Dirac hadde funnet sin relativistiske bølgeligning for elektronet i 1928, ble denne benyttet til å på nytt beregne spredningstverrsnittet for Compton-spredning. Allerede i 1929 kom resultatet som kalles Klein-Nishina-tverrsnittet, og den viste seg å gi god overensstemmelse med målingene. På den måten spilte Compton-spredning en viktig rolle i de første årene ved etableringen av moderne kvanteelektrodynamikk.
Den inverse prosessen hvor et foton med lav energi kolliderer med et høyenergetisk elektron slik at det spredte fotonet får høy energi, kalles «invers Compton-spredning» og er viktig innen astrofysikken. På den måten kan det for eksempel produseres høyenergetiske fotoner fra sorte hull eller gi forandringer i den kosmiske bakgrunnsstrålingen ved at den påvirkes av høyenergetiske elektroner i galaksehoper.