Comptonov efekat

**Komptonov efekat** je rasejanje fotona sa atoma pri čemu foton gubi deo energije, tj., menja talasnu dužinu. Efekat je značajan jer je potvrdio kvantnu prirodu svetlosti. Može kvantitativno da se objasni ako se predstavi kao igra bilijara fotona i elektrona. Za otkriće i objašnjenje efekta Kompton je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927. godine.

Ovaj efekat je bio važan za razvoj moderne fizike jer je pokazao da svetlost ne može u potpunosti da se opiše kao talasna pojava. Klasična teorija rasejanja elektromagnetnih talasa sa naelektrisane čestice ne može da objasni promenu talasne dužine rasejanog zraka. Za objašnjenje Komptonovog rasejanja neophodno je uzeti u obzir čestičnu prirodu svetlosti. Komptonov eksperiment je najzad uverio fizičare da se svetlo ponaša i kao mlaz čestica čija je energija proporcionalna frekvenciji.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija, 0,5 do 3,5 MeV.

## Jednačina za Komptonov pomak

Da bi objasnio pojavu, Kompton je upotrebio tri osnovne formule klasične i moderne fizike:

* Čestičnu prirodu svetlosti, kako je već demonstrirano u fotoelektričnom efektu
* Relativističku dinamiku iz specijalne teorije relativnosti
* Trigonometriju - kosinusni zakon

te je dobio sledeću **jednačinu Komptonovog rasejanja**:

: \lambda_2 = \frac{h}{m_e c}(1-\cos{\theta}) + \lambda_1 
gde je 
:\lambda_1  talasna dužina fotona **pre** sudara,
:\lambda_2  talasna dužina fotona **posle** rasejanja,
:*m<sub>e</sub>* masa elektrona,
:*h/(m<sub>e</sub>c)* Komptonova talasna dužina,
:*θ* ugao skretanja fotona,
:*h* Plankova konstanta, i
:*c* brzina svetlosti.

Komptonova talasna dužina iznosi 2,43×10−12 metara.

### Izvođenje
Polazimo od zakona o održanju energije:
:E_{\gamma} + E_{e} = E_{\gamma'} + E_{e'}\,

gde je E_{\gamma} energija fotona pre sudara a E_e energija elektrona pre sudara – jednaka njegovoj masi mirovanja. Promenljive sa primom (') označavaju stanje nakon sudara.

Isto treba da važi i zakon o održanju momenta:

:\vec p_{\gamma} + \vec{p_{e}} = \vec{p_{\gamma'}} + \vec{p_{e'}}\,

gde, zbog jednostavnosti, podrazumevamo da elektron pre sudara miruje pa p_e=0

Koristeći vezu između energije i frekvencije, i energije i impulsa E = hf = pc iz gornjeg izraza nalazimo:
:\vec{p_{e'}} = \vec{p_{\gamma}} - \vec{p_{\gamma'}}\,
:{\vec{p_{e'}}}^2 = {(\vec{p_{\gamma}} - \vec{p_{\gamma'}})}^2
:{\vec{p_{e'}}}^2 = \vec{p_{\gamma}}^2 - 2\cdot\vec{p_{\gamma}}\cdot\vec{p_{\gamma'}} + \vec{p_{\gamma'}}^2
:\vec{p_{e'}} \cdot \vec{p_{e'}} = \vec{p_{\gamma}} \cdot \vec{p_{\gamma}}- 2\cdot\vec{p_{\gamma}}\cdot\vec{p_{\gamma'}} + \vec{p_{\gamma'}} \cdot \vec{p_{\gamma'}}
:{p_{e'}}^2 \cdot \cos(0) = p_{\gamma}^2 \cdot \cos(0) - 2 \cdot p_{\gamma} \cdot p_{\gamma'} \cdot \cos(\theta) + p_{\gamma'}^2\cdot \cos(0)

Kosinusni član, \cos(\theta), se javlja jer foton menja pravac kretanja pa je za slaganje momenata potrebno uzeti u obzir ugao među njima. 
Zamenjivanjem p_{\gamma} sa \frac{hf}{c} i p_{\gamma'} sa \frac{hf'}{c}, nalazimo 
:p_{e'}^2 = \frac{h^2 f^2}{c^2} + \frac{h^2 f'^2}{c^2} - \frac{2h^2 ff'\cos{\theta}}{c^2}

Sada transformišemo energijski deo:
:E_{\gamma} + E_{e} = E_{\gamma'} + E_{e'}\,
:hf + mc^2 = hf' + \sqrt{(p_{e'}c)^2 + (mc^2)^2}\,
i rešavamo ga po pe':
:(hf + mc^2-hf')^2 = (p_{e'}c)^2 + (mc^2)^2\,
:\frac{(hf + mc^2-hf')^2 -m^2c^4}{c^2}= p_{e'}^2\,
Sada imamo dve različita izraza za p_{e'}^2, koja smemo da izjednačimo:
:\frac{(hf + mc^2-hf')^2 -m^2c^4}{c^2} = \frac{h^2 f^2}{c^2} + \frac{h^2 f'^2}{c^2} - \frac{2h^2 ff'\cos{\theta}}{c^2}
Sada je samo pitanje preuređivanja:
:h^2f^2+h^2f'^2-2h^2ff'+2h(f-f')mc^2 = h^2f^2+h^2f'^2-2h^2ff'\cos{\theta}\,

:-2h^2ff'+2h(f-f')mc^2 = -2h^2ff'\cos{\theta}\,
:hff'-(f-f')mc^2 = hff'\cos{\theta}\,
:hff'(1-\cos{\theta}) = (f-f')mc^2\,

:h\frac{c}{\lambda'}\frac{c}{\lambda}(1-\cos{\theta}) =\left(\frac{c}{\lambda}-\frac{c}{\lambda'}\right)mc^2

:h\frac{c}{\lambda'}\frac{c}{\lambda}(1-\cos{\theta}) = \left(\frac{c\lambda'}{\lambda\lambda'}-\frac{c\lambda}{\lambda'\lambda}\right)mc^2

:	h(1-\cos{\theta}) = \frac{\lambda'}{c}\frac{\lambda}{c}\left(\frac{c\lambda'}{\lambda'\lambda}-\frac{c\lambda}{\lambda\lambda'}\right)mc^2

:h(1-\cos{\theta}) = \left(\frac{\lambda'}{c}-\frac{\lambda}{c}\right)mc^2

:\frac{h}{mc}(1-\cos{\theta}) =\lambda'-\lambda

Dakle, nakon sudara sa elektronom u atomu, foton menja pravac (ugao \theta) i talasnu dužinu od \lambda u \lambda' izbijajući iz atoma elektron koji odnosi deo prvobitne energije fotona.

## Primene

Komptonovo rasejanje je od prvorazrednog značaja u radiologiji jer je to najverovatniji mehanizam međudelovanja visokoenergijskih H-zraka i atoma u tkivu i koristi se u radijacionoj terapiji.

U istraživanjima, Komptonovo rasejanje se koristi za ispitivanje elektronskog omotača u atomu.

## Povezano
* Fotoelektrični efekat

## Literatura

* S. Macura, J. Radić-Perić, ATOMISTIKA, Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list, Beograd, 2004, str. 267.
* 
*  (the original 1923 paper on the American Institute of Physics website)
* Stuewer, Roger H. (1975), The Compton Effect: Turning Point in Physics (New York: Science History Publications)
* Peter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Springer, 1994, .

## Vanjske veze

* ''Compton Effect'' (PDF file) by Michael Brandl for Project PHYSNET .
* Compton Scattering - Georgia State University
* Compton Scattering Data - Georgia State University
* Derivation of Compton shift equation
* Erklärung und Animationen  (LEIFI-Physik)
* Animation zur Richtungsverteilung von Photon und Elektron (bei BIGS)