Modern Fizik · 3. Ünite: Kuantum Fiziğinin Doğuşu

Compton Saçılması

X-ışınlarının hafif elementlerden saçılmasında saçılan ışınımın dalga boyunun, geliş dalga boyundan büyük olduğu ve farkın yalnızca saçılma açısına bağlı olduğu görüldü; klasik elektromanyetik teori bunu açıklayamaz. Bu konuda fotonu enerjisi ve momentumu olan bir parçacık sayıp enerji ve momentum korunumundan $\Delta\lambda=\dfrac{h}{m_ec}(1-\cos\theta)$ bağıntısını türeteceksiniz. Sonunda saçılan fotonun dalga boyunu ve enerjisini, geri tepen elektronun kinetik enerjisini ve yönünü hesaplayabilir; klasik Thomson saçılmasının neden yetersiz kaldığını ve görünür ışıkta Compton kaymasının neden gözlenmediğini açıklayabilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: 1923'te İki Tepeli Spektrum

  2. Klasik Beklenti: Thomson Saçılması ve Başarısızlığı

  3. Foton Modeli: Compton Bağıntısının Türetilmesi

  4. Geri Tepen Elektron

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Sınır Durumları ve Bağlı Elektron

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Compton saçılması (Compton scattering)
Fotonun serbest bir elektrondan esnek saçılması; saçılan fotonun dalga boyu artar.
Compton dalga boyu (Compton wavelength)
$\lambda_C=h/(m_ec)=2{,}426\,\text{pm}$; saçılma kaymasının doğal ölçeği.
Compton kayması (Compton shift)
$\Delta\lambda=\lambda_C(1-\cos\theta)$; yalnızca saçılma açısına bağlıdır.
Geri tepen elektron (recoil electron)
Saçılma sırasında fotondan enerji ve momentum alan elektron; kinetik enerjisi $K_e=E-E'$.
Thomson saçılması (Thomson scattering)
Serbest yükün gelen dalganın frekansında yeniden ışıması; klasik, $\lambda'=\lambda$, düşük enerji sınırı.
Foton momentumu
$p=E/c=h/\lambda$; kütlesiz parçacık için $E=pc$.
Compton kenarı (Compton edge)
Geri saçılmada elektrona aktarılan en büyük enerji $K_{e,\max}$.
Klein–Nishina formülü
Compton saçılmasının kuantum elektrodinamiğine göre diferansiyel tesir kesiti; düşük enerjide Thomson değerine iner.

Örnek soru

Dalga boyu $0{,}0711\,\text{nm}$ olan monokromatik X-ışını, serbest ve durgun bir elektrondan $90^\circ$ açıyla saçılıyor. Dalga boyundaki artış ($\Delta\lambda$) nedir? ($\lambda_C=2{,}426\,\text{pm}$)

  1. $1{,}21\,\text{pm}$
  2. $2{,}43\,\text{pm}$
  3. $4{,}85\,\text{pm}$
  4. $0$
  5. $2{,}43\,\text{nm}$

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Compton bağıntısı: $\Delta\lambda=\lambda_C(1-\cos\theta)$.
2. $\theta=90^\circ$ için $\cos\theta=0$, dolayısıyla $\Delta\lambda=\lambda_C=\mathbf{2{,}43\,\text{pm}}$.
3. Geliş dalga boyu ($0{,}0711\,\text{nm}$) sonuca girmez: kayma yalnızca açıya bağlıdır.
$1{,}21\,\text{pm}$ $\theta=60^\circ$'nin, $4{,}85\,\text{pm}$ ise $180^\circ$'nin sonucudur. $0$ klasik Thomson saçılmasının öngörüsüdür; $2{,}43\,\text{nm}$ pm–nm birim hatasıdır.

Modern Fizik: tüm konular