Effetto Compton

Effetto Compton: spiegazione

Ora che abbiamo visto una spiegazione sommaria dell'effetto Compton, cerchiamo di approfondire, per quanto possibile, questo fenomeno con le nostre conoscenze di fisica quantistica. È infatti importante capire che questo fenomeno non può essere spiegato con la teoria classica e con la teoria oscillatoria della luce. Infatti, se la luce fosse un fenomeno puramente ondulatorio, il risultato che si osserverebbe sarebbe al più un'oscillazione dell'elettrone con la stessa frequenza della luce e la luce stessa non cambierebbe frequenza.

Parte dell'importanza dell'esperimento è proprio il fatto che, dopo l'urto, il fascio di luce incidente, viene riemesso con una lunghezza d'onda diversa da quella iniziale. È proprio come una particella che, durante un urto, perde parte della sua energia.

Fig. 2 - Diagramma semplificato dell'effetto Compton, la linea ondulata rappresenta il fotone, inizialmente di lunghezza d'onda \(\lambda\) e dopo l'urto di lunghezza d'onda \(\lambda'\), in rosso è raffigurato l'elettrone e la sua traiettoria dopo l'urto. Il fotone, dopo l'urto viene deviato di un angolo \(\theta\).

Ma perché parliamo proprio di perdere energia? Sperimentalmente si verifica che i fotoni deviati hanno una lunghezza d'onda \(\lambda'\) che è maggiore della lunghezza d'onda iniziale \(\lambda\). Come colleghiamo queste due informazioni?

Ricordiamo che l'energia di un fotone è data dalla relazione di Planck:

\[E = h \nu\,,\]

dove \(E\) è l'energia del fotone, \(h\) è la costante di Planck (che vale \(6{,}626 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\: \mathrm{s}\)) e \(\nu\) la frequenza del fotone.

Una prima impressione dovrebbe essere che l'energia dovrebbe aumentare! Bisogna però ricordare che frequenza e lunghezza d'onda sono legate dalla relazione di proporzionalità inversa

\[c = \lambda\:\nu\,,\]

dove \(c\) è la velocità della luce nel vuoto (circa \(3\times 10^8 \, \mathrm{m/s}\)). All'aumentare della lunghezza d'onda, quindi, la frequenza diminuisce, e di conseguenza anche l'energia del fotone.

Parte dell'energia viene ceduta all'elettrone che viene messo in moto nella direzione indicata dalla freccia rossa in figura 2.

Effetto Compton: importanza

La domanda logica, giunti alla fine di questo articolo è, quindi, che applicazioni ha questo effetto? Perché dovrebbe importarci che un fotone, quando urta con un elettrone, perde parte della sua energia e viene deflesso?

L'effetto Compton ha un'importanza fondamentale nella fisica moderna, tanto da aver portato ad Arthur Compton il premio Nobel per la fisica nel 1927, 5 anni dopo la prima osservazione del fenomeno.

È importante soprattutto come ulteriore verifica del dualismo onda particella della luce, dimostrando che la luce si comporta anche come particelle e non solo come onde. In pratica dimostra che la luce, in base al fenomeno osservato, si può comportare in un modo o nell'altro.

Effetto Compton inverso

L'effetto Compton che abbiamo descritto vale quando l'energia del fotone è molto più grande dell'energia dell'elettrone. Tuttavia, esiste anche il cosiddetto effetto Compton inverso, in cui un elettrone molto più energetico del fotone contro cui incide genera un fotone estremamente energetico. Questo fenomeno è importante in campo astrofisico e in astronomia, in cui gli elettroni dei raggi cosmici possono generare fasci di luce di energie elevatissime.