Arthur Compton und seine Entdeckungen

In den frühen 1920er Jahren war Arthur Holly Compton der erste Mensch, der den Beweis erbrachte, dass Photonen wie Teilchen wirken können.

Arthur Compton
Arthur Compton

1923 trug Arthur Compton dazu bei, einige der ersten Beweise für Einsteins Postulat, dass Photonen wie Teilchen wirken können, in der realen Welt zu liefern. Mit Hilfe von Röntgenstrahlen und etwas Graphit half er fast im Alleingang, unser modernes Verständnis des Welle-Teilchen-Dualismus zu demonstrieren.

Was ist der Compton-Effekt?

Der Compton-Effekt oder Compton-Streuung ist die Bezeichnung dafür, was mit der Energie eines Photons (wie Röntgen- oder Gammastrahlen) geschieht, wenn es mit Materie (hauptsächlich Elektronen) wechselwirkt. Wenn dies geschieht, erhöht sich seine Wellenlänge (oder Energie/Frequenz sinkt), wenn es an einem Zielelektron gestreut wird.

Sie wurde erstmals 1923 von Arthur Holly Compton beschrieben und ist ein fundamentales Prinzip der Physik. Compton machte seine Entdeckung nach umfangreichen Experimenten, bei denen Röntgenstrahlen von den Elektronen der Graphitatome abprallten.

Durch seine Arbeit entdeckte er, dass Röntgenstrahlen, die an Graphitelektronen gestreut wurden, im Vergleich zu ihren Eigenschaften vor dem Auftreffen auf sie eine niedrigere Frequenz und eine längere Wellenlänge hatten.

Der Betrag, um den sich die Frequenz ändert, hängt auch vom Streuwinkel und dem Betrag ab, um den der Strahl von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt wird.

Eine große Analogie ist ein Billardspiel. Stellen Sie sich einen Tisch mit nur einer Weißen und der 8 vor.

Wenn Sie die Weiße auf die 8-Kugel schlagen, die in Ruhe war, wird die Weiße sie treffen und in einem bestimmten Winkel abgelenkt (o Streuung). Sie verliert auch etwas von ihrem anfänglichen Schwung und ihrer kinetischen Energie.

Dies ist sehr ähnlich zu dem, was passiert, wenn ein Röntgenphoton auf ein Elektron „auftrifft“ und an ihm gestreut wird.

Wer war Arthur Holly Compton?

Arthur Holly Compton war ein amerikanischer Physiker, der 1927 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung des ihm zu Ehren genannten Effekts erhielt.

Er wurde am 10. September 1892 in Wooster, Ohio, geboren. Seine Familie war sehr akademisch, sein Vater, der Dekan der Universität von Wooster, und seine Brüder, die beide an derselben Universität promovierten.

Arthur hatte schon früh Interesse an der Astronomie und schaffte es sogar, 1910 ein Foto des Halleyschen Kometen aufzunehmen. Später schloss er sein Studium an der Wooster University mit einem B.Sc. ab und machte 1914 einen M.A. in Princeton.

Später promovierte er 1916 in Princeton in Physik. Nachdem er zwischen 1916 und 1917 als Physiklehrer gearbeitet hatte, erhielt er 1919 eines der ersten beiden Stipendien des Nationalen Forschungsrats, das Studenten ein Auslandsstudium ermöglichte.

Während seines Studiums an der Universität von Cambridge untersuchte Compton die Streuung und Absorption von Gammastrahlen.

Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten wurde Compton 1920 zum Leiter der Fakultät für Physik an der Universität Washington ernannt. Hier wurde sein wichtigstes Werk vollendet.

Was beweist der Compton-Effekt?

Comptons Arbeit lieferte effektiv zusätzliche unterstützende Beweise für Einsteins Auflösung des photoelektrischen Effekts. Innerhalb dieses Effekts postulierte Einstein, dass Licht als diskrete Teilchen und nicht als Wellen auftreten kann, die theoretisch zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden können.

Dieser Effekt ist die grundlegende Grundlage für die Funktionsweise moderner Solarzellen.

Aber als sie 1905 vorgeschlagen wurde, brauchte es wirklich einige experimentelle Beweise, um die Theorie zu bestätigen. Comptons Arbeit lieferte dies und zeigte, dass Photonen tatsächlich ein teilchenähnliches Verhalten zeigen.

Für seine Erkenntnisse wurde Compton 1927 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Seitdem haben viele tausend andere Experimente gezeigt, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilchenverhalten zeigen kann, eine Eigenschaft, die als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird.

Sie ist inzwischen zu einem der Eckpfeiler der Quantenmechanik geworden.

Warum ist der Compton-Effekt wichtig?

Der Compton-Effekt ist wichtig, weil er dazu beiträgt zu zeigen, dass Licht nicht nur als Wellenphänomen erklärt werden kann. Dies stand im Gegensatz zu dem damals lange vertretenen Glauben, der als Thomson-Streuung bezeichnet wurde.

Diese klassische Theorie einer elektromagnetischen Welle, die an geladenen Teilchen gestreut wird, kann die Verschiebung der Wellenlänge bei niedriger Intensität nicht erklären.

„Klassischerweise verursacht das Licht von ausreichender Intensität für das elektrische Feld, um ein geladenes Teilchen auf eine relativistische Geschwindigkeit zu beschleunigen, einen Strahlungsdruck-Rückstoß und eine damit verbundene Doppler-Verschiebung des gestreuten Lichts, aber der Effekt würde bei ausreichend niedrigen Lichtintensitäten unabhängig von der Wellenlänge willkürlich klein werden.

Das Licht muss sich so verhalten, als bestünde es aus Teilchen, um die Compton-Streuung niedriger Intensität zu erklären. Comptons Experiment überzeugte die Physiker, dass sich Licht wie ein Strom von Teilchen verhalten kann, deren Energie proportional zur Frequenz ist“. – eng.libretexts.org.

Wie wurde der Compton-Effekt entdeckt?

Compton machte seine Entdeckung durch die Streuung von Röntgenstrahlen an Elektronen in einem Kohlenstoff-Target und fand gestreute Röntgenstrahlen mit einer längeren Wellenlänge als die auf dem Target einfallenden.

„Comptons ursprüngliches Experiment nutzte Molybdän-K-alpha-Röntgenstrahlen, die eine Wellenlänge von 0,0709 nm haben. Diese wurden an einem Kohlenstoffblock gestreut und mit einem Bragg-Spektrometer unter verschiedenen Winkeln beobachtet.

Das Spektrometer besteht aus einem rotierenden Gerüst mit einem Calcitkristall zur Beugung der Röntgenstrahlen und einer Ionisationskammer zur Detektion der Röntgenstrahlen. Da der Abstand der Kristallebenen im Kalzit bekannt ist, ergibt der Beugungswinkel ein genaues Maß für die Wellenlänge“. – wiki.metropolia.fi.

Interessante Fakten über den Compton-Effekt

1. Der Compton-Effekt lieferte den ersten Beweis für Einsteins Postulat, dass sich Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle verhalten kann.

2. Comptons Entdeckung wurde im selben Jahr auch von dem niederländischen Physikochemiker Peter Debye unabhängig beobachtet.

3. Compton wurde 1927 für seine Entdeckungen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

4. Die Compton-Streuung ist ein Beispiel für unelastische Streuung von Licht an einem freien geladenen Teilchen. Hier ist die Wellenlänge des gestreuten Lichts anders als die der einfallenden Strahlung.

5. Comptonstreuung ist einer von drei konkurrierenden Prozessen bei der Wechselwirkung von Photonen mit Materie. Bei niedrigeren Energien von einigen wenigen eV oder keV können Photonen vollständig absorbiert werden, was dazu führt, dass ein Elektron aus einem Wirtsatom ausgestoßen wird.

Bei höheren Energien von 1,022 MeV oder mehr kann das Photon den Kern des Wirtsatoms bombardieren und die Bildung eines Elektrons und eines Positrons bewirken ( Paarbildung).

6. Während des Zweiten Weltkriegs war Arthur Compton ein leitendes Mitglied des Manhattan-Projekts. In dieser Funktion widmete er einen Großteil seiner administrativen, wissenschaftlichen und inspirierenden Energien der Unterstützung bei der Entwicklung der ersten Atomwaffen der Welt.

7. Bereits 1922 konnte Compton nachweisen, dass Röntgenstrahlen von Glas- und Silberspiegeln vollständig intern reflektiert werden können. Dies ermöglichte die genauen Werte für den Brechungsindex und die elektronischen Populationen von Substanzen.

Sie ermöglichte es auch, genauere Werte für die Ladung eines Elektrons zu bestimmen.