ظاهرة كومبتون

مقدمة

تأثير كومبتون هو مثال على التشتت غير المنتظم، لأن طول موجة الضوء المتشتت يختلف عن طول موجة الضوء الساقط. ومع ذلك، يعتبر هذا التأثير نتيجة لتصادم مرن بين الفوتون والإلكترون. وتسمى قيمة اختلاف طول الموجة بانتقال كومبتون (Compton shift). وعلى الرغم من أن تشتت كومبتون يمكن أن يحصل في النواة، إلا أن تشتت كومبتون يشير عادة إلى التفاعل الذي ينطوي فقط على الإلكترون في الذرة. ولقد تم اكتشاف هذا التأثير من قبل العالم آرثر هولي كومبتون في عام 1923 في جامعة واشنطن، وأكدت صحته أيضاً من قبل أحد طلابه الخريجين في السنوات التي تلت. وحصل كومبتون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1927 لاكتشافه.
تبرز أهمية تأثير كومبتون بأنه يبرهن على أنه لا يمكن تفسير سلوك الضوء كموجة بشكل كلي. فتشتت تومسون، وهو مبني على النظرية الكلاسيكية لتشتت الموجات الكهرومغناطيسية من الجسيمات المشحونة، لا يمكنه تفسير التغيرات الصغيرة في طول الموجة للضوء خفيف الشدة. لذلك يجب أن يتصرف الضوء كما لو أنه يتكون من جسيمات ليفسر تأثير كومبتون للضوء خفيف الشدة. وقد أقنعت تجربة كومبتون الفيزيائيين أن الضوء يجب أن يتصرف كما لو أنه تيار من الجسيمات (الكمات) التي تعتمد طاقتها على تردد الضوء.
لأنه يشترط حفظ الكتلة-الطاقة والزخم للنظام، فإنه من غير الممكن للإلكترون أن يتحرك في نفس اتجاه الفوتون الساقط. ويؤدي تصادم الإلكترونات مع فوتونات ذات طاقة عالية (مقارنة مع الطاقة السكونية للإلكترون، وهي 511 KeV) إلى أن يمتص الإلكترون بعضاً من طاقة الفوتون، وينبعث الفوتون الذي يحمل الطاقة المتبقية في اتجاه مختلف عن الفوتون الساقط، لذا فإن الزخم الكلي للنظام محفوظ. وإذا كان الفوتون المتشتت يملك طاقة كافية، فإن العملية يمكن أن تتكرر. وأثبت التحققات من حفظ الزخم في تأثير كومبتون من قبل والتر بوتيه وجايجر إضافة إلى كومبتون وسيمون بطلان نظرية BKS.
إذا كانت طاقة الفوتون قليلة نسبياً، ولكن ضمن الطاقة الكافية (بشكل عام بضعة eV إلى بضعة KeV، المقابلة للضوء المرئي حتى أشعة إكس الضعيفة)، فإن الفوتون يمكنه أن يطرد الإلكترون (يحرره) من الذرة بشكل كامل (فيما يعرف بالظاهرة الكهروضوئية)، بدلاً من حدوث تأثير كومبتون. وفي بعض الأحيان يمكن أن تؤدي الفوتونات عالية الطاقة (1.022 MeV فما فوق) إلى تفجير النواة وتكوين إلكترون وبوزيترون، فيما يعرف بظاهرة الإنتاج الزوجي.

تاريخ

حتى اكتشاف تأثير كومبتون كان التأثير الكهروضوئي هو التأثير الوحيد الذي يبرهن أن الضوء يتميز بصفات الموجة إلى جانب كونه جسيم، ذلك الاكتشاف الذي اكتشفه ألبرت أينشتاين عام 1905 عندما قام بتصويب شعاع من الضوء على معدن فأدى ذلك إلى انفصال بعض الإلكترونات عن المعدن (أقرأ ازدواجية موجة-جسيم).
في بدايات القرن العشرين، كانت الأبحاث على تفاعل أشعة إكس مع المادة تجري بشكل كبير. وقدم استنتج أنه عند تفاعل أشعة إكس ذات طول موجي معين مع الذرات، فإن الأشعة تنعكس بزاوية  وتنبعث بطول موجي مختلف يتعلق بهذه الزاوية. مع أن التصور الكلاسيكي للموجات الكهرومغناطيسية يتنبأ بأن طول موجة الأشعة المتشتتة يجب أن يساوي طول موجة الأشعة الساقطة، فقد وجدت تجارب متعددة أن طول موجة الأشعة المتشتتة كان أطول (ذو طاقة أقل) من طول موجة الأشعة الساقطة. ولم تكن تلك النتيجة متوافقة مع تصور أن الموجة الكهرومغناطيسية تتشتت عند اصتدامها بإلكترون حر (تشتت تومسون)، أو عند اصطدامها بإلكترون مرتبط بذرته (تشتت رايلي).
فإذا اعتبرت الإلكترونات كموجات مادية واعتبرنا أيضا الضوء كموجة كهرومغناطيسية، فإننا نحصل على مخطط فاينمان المرسوم أعلاه لتمثيل تأثير كومبتون.

).

تطبيقاته

نظرا  لصعوبة تركيز أشعة غاما بواسطة عدسة  مثلما نفعل مع الضوء، يلعب تأثير كومبتون دورا مهما عند التصوير بواسطة أشعة غاما في نطاق الطاقة العالية بين عدة مئات إلكترون فولت إلى عشرات مليون إلكترون فولت. وتستخدم تلسكوبات كومبتون (وتسمى أحيانا كاميرات كومبتون) لقياس طاقة فوتون مشتت واتجاهه، كما يمكن تعيين طاقة الإلكترون وطاقته أيضا. بذلك يمكن تعيين طاقة الفوتون الساقط، ومصدره أحيانا أيضا مقدار استقطابه. إلا أنه يصعب ذلك القياس بسبب عدم الدقة في تعيين تلك الاحداثيات مثل عدم قياس اتجاه الإلكترون مما يستدعي اللجوء إلى استخدام وسائل التحليل الرياضي وطرق متابعة الحدث لاستنباط المعلومات التي نبحث عنها.
وكان أشهر تلسكوب كومبتون هو ذلك الذي كان على متن مسبار ناسا المسمى مرصد كومبتون لأشعة غاما الذي عمل في الفضاء بين عامي 1991 و 2000 وكان أول تلسكوب يقوم بمسح فلكي لمصادر أشعة غاما في نطاق طاقة بين 75و0 و 30 مليون إلكترون فولت.
ومن نجاحات هذا التلسكوب تسجيل أول خريطة سماوية للاشعة في النطاق المذكور، وكذلك دراسة تخليق العناصر، مثل تخليق الألمونيوم-26، وكذلك رصد مستعرات عظمى ونجوم بالغة الكتلة، وتخليق عنصر التيتانيوم-44 ، كما ساهم في دراسة النجوم النباضة وكذلك دراسة المجرات النشطة.
كما يجري تطوير لاستخدام كاميرات كومبتون في التشخيص الطبي أو التقنية النووية. وفي الطب فقد فاقت كاميرات كومبتون كاميرات أشعة كاما المستخدمة حاليا في التشخيص مع تحسن كبير للتباين وتحديد الأحجام، كذلك في تعيين مواقع الأورام بالتحديد ومواقع الأورام المتفرعة عنها. وسيصبح في المستقبل أيضا مراقبة المؤسسات النووية بواسطة كاميرات كومبتون أو النفايات النووية.
كما طورت أجهزة فحص المسافرين في المطارات لأغراض الأمن حيث يعمل تشتت أشعة إكس المنعكس Backscatter من الأسطح. وتختبر هذه الأجهزة حاليا في الولايات المتحدة الأمريكية.