EFFETTO COMPTON

NATURA CORPUSCOLARE DELLA LUCE

Dopo l'effetto fotoelettrico, un'ulteriore prova della natura corpuscolare della luce fu fornita dal fisico americano Arthur Holly Compton, premio Nobel per la Fisica nel 1927.

Nel 1923, Compton confermo' sperimentalmente l'interpretazione quantistica e corpuscolare della radiazione elettromagnetica, dimostrando che l'urto tra un fotone ed un elettrone libero seguiva le note leggi di conservazione dell'energia e della quantita' di moto.

Compton bombardo' un blocco di grafite con un fascio monocromatico di raggi X di lunghezza d'onda λ, ben collimato, e misuro' la lunghezza d'onda λ' del fascio diffuso in funzione dell'angolo di diffusione θ della radiazione. I risultati sperimentali dimostrarono che il raggio diffuso aveva sempre una lunghezza d'onda maggiore (e quindi una frequenza minore) del raggio incidente.

Secondo la teoria classica (leggi di Maxwell) il fascio diffuso avrebbe dovuto avere la stessa frequenza di quello incidente. Quindi, gli elettroni della grafite avrebbero dovuto oscillare con la stessa frequenza dell'onda incidente ed emettere radiazione di identica frequenza.

Compton interpreto' il fenomeno pensando alla radiazione come ad un flusso di fotoni, ciascuno di energia E = hʋ, che urtavano elasticamente contro gli elettroni liberi della grafite come se fossero palle da biliardo. Un fotone, urtando contro un elettrone immobile, trasferiva ad esso energia e quantita' di moto, cambiando direzione dopo l'urto. Poiche' nella collisione parte dell'energia iniziale del fotone veniva ceduta come energia cinetica all'elettrone, per la conservazione dell'energia, il fotone diffuso doveva avere un'energia E' = hʋ' minore di quella iniziale e quindi una lunghezza d'onda λ' maggiore di quella iniziale.

Compton assegno' ad un fotone la quantita' di moto p = E/c con E = hʋ (energia che Planck aveva asseganto ad un fotone). Dunque, l'impulso risultava legato alla lunghezza d'onda dalla relazione:

p = h/λ

L'espressione teorica dello spostamento Compton Δλ = λ'-λ e' ricavabile trattando la collisione tra fotone ed elettrone come un urto perfettamente elastico ed applicando i principi di conservazione dell'energia e della quantita' di moto. L'espressione finale e' data dalla relazione:

Δλ = (h/m₀c).(1 - cos θ)

dove h e' la costante di Planck, m₀ e' la massa a riposo dell'elettrone e c e' la velocita' della luce.

Lo spostamento Compton dipende dall'angolo di diffusione θ, per cui la lunghezza d'onda della radiazione diffusa puo' variare da zero (quando l'angolo di diffusione e' nullo, ossia la radiazione non viene diffusa), fino ad un massimo di 2h/m₀c (quando si ha una diffusione di 180°, cioe' la radiazione si riflette all'indietro).

In figura e' rappresentato l'urto fotone-elettrone:

La collisione tra un fotone ed un elettrone fa variare la frequenza del fotone da ʋ a ʋ', mentre l'energia dell'elettrone ha valore: E(e) = h(ʋ-ʋ').

CONCLUSIONI

Quando il fotone entra in collisione con un elettrone, il fotone non solo e' deviato, ma perde anche energia, che cede all'elettrone (aspetto corpuscolare della luce). Poiche' il fotone non puo' cambiare velocita' e poiche' la sua massa e' nulla, esso puo' perdere energia soltanto cambiando frequenza (aspetto ondulatorio della luce).