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Compton-Effekt – der Impuls eines Photons

PhysikQuanten- und KernphysikAlter 17–18Virtuelles Labor

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Ein Röntgenphoton trifft ein ruhendes Elektron und fliegt unter dem Winkel θ mit größerer Wellenlänge weiter: λ′ − λ = (h/mₑc)(1 − cos θ). Ziehen Sie, um den Streuwinkel zu ändern, und lesen Sie Wellenlänge und Photonenenergie vorher und nachher, kinetische Energie und Richtung des Rückstoßelektrons sowie ein Vektordiagramm ab, das die Impulserhaltung zeigt: p = p′ + pₑ. Der Bildschirm Compton-Versuch misst das Spektrum der gestreuten Röntgenstrahlung mit einem Kristallspektrometer, mit einem unverschobenen und einem verschobenen Maximum; nehmen Sie Messwerte bei mehreren Winkeln auf und tragen Sie Δλ gegen (1 − cos θ) auf, um die Compton-Wellenlänge und die Planck-Konstante zu bestimmen.

Lektion: Welle-Teilchen-Dualismus: Compton-Effekt

Was sie zeigt

1923 entdeckte Arthur Compton, dass an Graphit gestreute Röntgenstrahlung eine zweite, größere Wellenlänge enthält. Er erklärte das, indem er die Strahlung als Photonen mit der Energie E = hc/λ und dem Impuls p = h/λ behandelte, die wie Billardkugeln an freien Elektronen abprallen. Energie- und Impulserhaltung ergeben λ′ − λ = (h/mₑc)(1 − cos θ) mit der Compton-Wellenlänge h/mₑc = 2,43 pm. Die Verschiebung hängt nur vom Winkel ab, nicht von der Wellenlänge oder dem Material; sie ist daher bei Röntgen- und Gammastrahlung groß, bei Licht aber unsichtbar. Das Modell behandelt das Elektron als frei und ruhend.

So funktioniert es

Stellen Sie unter Photon-Elektron-Stoß die Wellenlänge der Röntgenstrahlung λ ein und ziehen Sie im Bild oder verschieben Sie Streuwinkel θ; drücken Sie Photon abschießen, um den Stoß zu sehen, und Aufzeichnen für eine Tabellenzeile. Wählen Sie unter Compton-Versuch den Streukörper und einen Winkel, ziehen Sie dann im Diagramm oder nutzen Sie Spektrometer-Ablesung λ′ mit − / +, bis Sie auf dem verschobenen Maximum stehen; drücken Sie Messwert aufnehmen. Tragen Sie Δλ gegen (1 − cos θ) auf.

Einstellbare Parameter

  • Bildschirm Photon-Elektron-Stoß, Compton-Versuch
  • Wellenlänge der Röntgenstrahlung 2–100 pm
  • Streuwinkel 0–180 °
  • Streukörper Graphit, Aluminium, Kupfer
  • Impulsdiagramm zeigen

Fragen zum Erkunden

  1. Warum ist die Verschiebung bei 90° für jede einfallende Wellenlänge gleich?
  2. Bei welchem Streuwinkel erhält das Rückstoßelektron die größte kinetische Energie, und warum?
  3. Warum lässt sich die Compton-Verschiebung mit Röntgenstrahlung leicht nachweisen, mit sichtbarem Licht aber nicht?

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