Wie die Compton-Effekt des Lichts Erklärt Wellenlängenverschiebung

Obwohl Max Planck und Albert Einstein postuliert, dass Licht sowohl als Welle und ein Teilchen verhalten konnte, war es Arthur Compton, der schließlich bewiesen, dass dies möglich war. Sein Experiment beteiligten Photonen Elektronen ab Streuung, wie die folgende Abbildung zeigt, und bot Beweis für das, was wir uns beziehen nun als Compton-Effekt.

Das einfallende Licht kommt mit einer Wellenlänge von

und trifft auf das Elektron in Ruhe. Danach geschieht, wird das Licht gestreut, wie Sie hier sehen:

Klassisch, hier ist was passiert haben sollte: Das Elektron haben sollte das einfallende Licht absorbiert, in Schwingung versetzt, und es emittiert - mit der gleichen Wellenlänge, aber mit einer Intensität von der Intensität des einfallenden Lichts abhängig. Aber das ist nicht das, was passiert ist - in der Tat ist die Wellenlänge des Lichts tatsächlich geändert durch

genannt Wellenlängenverschiebung. Das gestreute Licht weist eine Wellenlänge von

in anderen Worten, hat seine Wellenlänge erhöht, was bedeutet, dass die Lichtenergie verloren hat. Und

hängt von dem Streuwinkel,

nicht von der Intensität des einfallenden Lichts.

Compton konnte die Ergebnisse seines Experiments erklären nur durch die Annahme, dass er tatsächlich mit zwei Teilchen zu tun hatte - ein Photon und ein Elektron. Das heißt, er behandelte Licht als diskrete Teilchen, keine Welle. Und er machte die Annahme, dass das Photon und das Elektron kollidiert elastisch - das heißt, dass sowohl die Gesamt Energie und Impuls konserviert wurden.

Unter der Annahme, dass sowohl das Licht und die Elektronen-Teilchen waren, abgeleitet Compton dann diese Formel für die Wellenlängenverschiebung (es ist eine einfache Berechnung), wenn Sie davon ausgehen, dass das Licht durch ein Photon mit der Energie dargestellt wird

und dass seine Dynamik ist

woher h Planck ist die Konstante, m_e ist die Masse eines Elektrons, c ist die Lichtgeschwindigkeit, und

der Streuwinkel des Lichts.

Sie sehen auch diese Gleichung in der äquivalenten Form:

Und Experiment bestätigt diese Beziehung - beide Gleichungen.

Beachten Sie, dass die Verschiebung der Wellenlänge abzuleiten, hatte Compton die Annahme, dass hier das Licht als Teilchen handelte, nicht als Welle. Das heißt, dass die Partikelnatur des Lichts der Aspekt des Lichts, das vorherrschende war.