אפקט קומפטון

אפקט קומפטון או פיזור קומפטון הוא תופעה פיזיקלית בה קרני X וקרני גמא מתפזרות מחומר תוך כדי שאורך הגל שלהן גדל.
את התופעה גילה ב-1922 הפיזיקאי האמריקני ארתור קומפטון בניסוי אותו ערך. השינוי באורך הגל סתר את ההסבר הקלאסי לפיזור קרינה, וקומפטון הראה שניתן להסביר אותו אם מקבלים את האופי החלקיקי של האור, מניחים שהפיזור הוא אוסף של התנגשויות אלסטיות בין פוטונים לבין אלקטרונים חופשיים, ומתארים כל התנגשות כזו על פי תורת היחסות הפרטית. לפי הסברו השינוי באורך הגל נובע מכך שבהתנגשות חלק מהאנרגיה של הפוטון עובר לאלקטרון, והופך לאנרגיה קינטית שלו.
החשיבות ההיסטורית של גילוי פיזור קומפטון הייתה בכך שהיא איששה את ההנחה של אלברט איינשטיין בדבר האופי החלקיקי של האור, הנחה שטרם הייתה מקובלת באותם ימים.
גילוי האפקט זיכה את קומפטון בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1927.

פיזור קומפטון כתופעה של קרני X

יש כמה סיבות בעטיין פיזור קומפטון מתגלה רק בקרני X, ולא בקרינה אלקטרומגנטית באורכי גל ארוכים יותר כמו אור נראה. הסיבה הראשונה היא, שהתוספת באורך הגל היא משמעותית רק בקרינה בעלת אורך גל קצר. עבור פוטונים של אור נראה, שאורך הגל שלהם נמדד באלפי אנגסטרמים, התוספת של מאיות אנגסטרם אינה משמעותית.
סיבה חשובה נוספת היא ההנחה שהאלקטרונים חופשיים. הנחה זו אינה מדויקת כמעט אף פעם, שכן האלקטרונים בחומר קשורים לאטומים או לפחות לגביש כולו. אבל חוזק הקשר הזה נמדד באלקטרון-וולטים בודדים. כאשר פוטון של קרני X (שהאנרגיה שלו היא מאות אלפי אלקטרון-וולט ויותר) פוגע באלקטרון, אנרגיית הקשר שלו כל כך זניחה שמוצדק להתייחס אליו כאל אלקטרון חופשי. לעומת זאת, לפוטונים של אור נראה יש אנרגיה בסדר הגודל של אנרגיית הקשר, ולכן אי אפשר להתעלם ממנה.

החשיבות ההיסטורית של אפקט קומפטון

ב-1922, כאשר ארתור קומפטון גילה את אופי ההסחה באורך הגל, ונתן לה את ההסבר הנכון, תורת הקוונטים הייתה בחיתוליה. למעשה, היא הסתכמה בקביעה שקרינה אלקטרומגנטית נפלטת או נבלעת בחומר במנות בדידות של אנרגיה, שכונו קוונטים. המילה "פוטון" הומצאה רק ב-1926. רוב המדענים חשבו שדבר זה לא מעיד כלל על תכונות האור, אלא קורה בגלל התכונות של החומר. אלברט איינשטיין היה כמעט בודד בדעה שהקוונטים של הקרינה הם ממש חלקיקים של אור.
הגילוי של קומפטון היה זה שהיטה את הכף בקרב הקהילה המדעית לטובת קבלת הרעיון שלאור יש גם אופי חלקיקי. אך גם זה לקח מספר שנים. ב-1924, נילס בוהר, שעדיין התנגד בחריפות לרעיון של חלקיקי אור, פרסם עם הנדריק קראמרס וג'ון סלייטר תאוריה (תאוריית BKS) שהסבירה את אפקט קומפטון ללא צורך בהנחה של קיום אופי חלקיקי לקרני ה-X. רק ב-1925, כאשר הוכח בניסויים שערכו ולתר בותה והנס גייגר שהפיזור של הפוטונים אכן מלווה בפליטה בו זמנית של אלקטרונים בכיוון ובתנע המתאימים למה שנחזה בתאוריה של קומפטון (דבר שסתר את התאוריה של בוהר ושותפיו), הרעיון שלקרינה האלקטרומגנטית יש אופי חלקיקי הפך למקובל.
ועדיין, גם כאשר ב-1927 ניתן לקומפטון פרס נובל לפיזיקה, הוא ניתן על "גילוי האפקט הקרוי על שמו", אך לא על ההסבר לו .

אפקט קומפטון ובליעה

אפקט קומפטון הוא אחד משלוש התופעות העיקריות שתורמות לבליעה של קרני X וקרני גמא בחומר, יחד עם האפקט הפוטואלקטרי ויצירת זוגות. אפקט קומפטון הוא דומיננטי עבור פוטונים עם אנרגיות של כ 0.5 - 5 MeV (דבר זה תלוי גם בסוג החומר, והתחום רחב יותר ככל שהמספר האטומי של הבולע נמוך יותר), בעוד האפקט הפוטואלקטרי דומיננטי באנרגיות נמוכות יותר, ויצירת זוגות באנרגיות גבוהות יותר.
למרות שאפקט קומפטון הוא בעקרון אפקט של פיזור ולא של בליעה (והיה יותר נכון להשתמש במושג ניחות), הוא נחשב כתורם לבליעה. זאת משתי סיבות: כאשר מדובר בקרן מרוכזת, הוא מוציא את הפוטון מהקרן והיא לא מגיעה לגלאי; הפוטונים המפוזרים הם בעלי אנרגיה נמוכה יותר, וככל שהאנרגיה נמוכה יותר עולה הסיכוי לעבור פיזורי קומפטון נוספים, או בליעה פוטואלקטרית, כך שאירוע שמתחיל בפיזור מסתיים בבליעה.

אפקט קומפטון הפוך

ייתכן מצב בו פוטון מתנגש באלקטרון שאינו נמצא במנוחה, אלא הוא בתנועה במהירויות גבוהות. במקרה כזה יכול להתרחש "אפקט קומפטון הפוך" בו דווקא הפוטון ייקבל אנרגיה מההתנגשות ואורך הגל שלו ייתקצר. תופעה זו הרבה יותר נדירה, אך היא יכולה להשפיע על ספקטרום הקרינה הנפלט מחורים שחורים, ואף על ספקטרום קרינת הרקע הקוסמית.