Easy Bug
25th December 2011, 08:43 PM
اطلاعات اوليه
زماني كه يك پرتو نور بر روي ماده‌اي مي‌تابد، انواع برهمكنشهاي مختلف بين فوتون و ماده متصور است (اثر تابش بر ماده). از جمله اين برهمكنشها ، مي‌توان به اثر كامپتون اشاره كرد. مي‌توان گفت كه اين اثر مستقيم‌ترين گواه بر خاصيت ذره‌اي نور مي‌باشد. در زندگي روزمره خود بارها اين اثر را مشاهده مي‌كنيم. به عنوان مثال ، نور خورشيد بعد از تابش با عناصر موجود در جو زمين اندركنش انجام مي‌دهد.
تاريخچه پايه محكم ديگر براي فرضيه كوانتومي نور ، توسط فيزيكدان آمريكايي ، آرتور كامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. كامپتون نوازنده گيتار ، قهرمان تنيس و محقق نامداري در بررسي پرتو كيهاني بود. كامپتون دانشمند تجربي‌كار متعصبي بود كه ميل داشت برخورد كوانتومهاي نور و الكترونها را ، عينا مانند برخورد گلوله‌هاي عاج بر روي ميز بيليارد ، تصور و تجسم كند. اثر كامپتون مستقيم‌ترين گواه بر طبيعت ذره‌اي تابش است.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/c/cd/camptoneff.JPG
نظريه كلاسيك پراكندگي امواج الكترومغناطيسي وقتي امواج الكترومغناطيسي تكفام به ذره بارداري كه اندازه آن از طول موج تابش خيلي كمتر است برخورد كند، اصولا ميدان الكتريكي متغير سينوسي موج ، بر روي اين ذره باردار اثر مي‌گذارد. اين ذره تحت تاثير نيروي الكتريكي متغير ، با همان فركانس تابشي ، حركت نوساني هماهنگ انجام مي‌دهد و چون بطور پيوسته شتاب مي‌گيرد، در تمام جهات با همان فركانس تابش الكترومغناطيسي گسيل مي‌كند.
بنابراين نظريه كلاسيك پيشگويي مي‌كند كه تابش پراكنده داراي همان فركانس تابش فرودي خواهد بود. ذره باردار نقش يك عامل انتقال را بازي مي‌كند، زيرا انرژي را از پرتو فرودي مي‌گيرد و مجددا آن را با همان فركانس ، ولي در تمام جهات پراكنده مي‌كند. نظريه كلاسيك پراكندگي براي تابش با طول موجهاي مرئي و همه طول موجهاي بلندتر با تجربه توافق دارد.
نظريه كوانتومي پراكندگي امواج الكترومغناطيسي در نظريه كوانتومي ، تابش الكترومغناطيسي شامل فوتونهايي است كه انرژي هر يك با E = hv بيان مي‌شود. چون يك فوتون را مي‌توان به عنوان يك ذره با جرم سكون صفر ، كه با سرعت نور حركت مي‌كند، در نظر گرفت. بزرگي اندازه حركت خطي متناظر با اين فوتون بر اساس رابطه دوبروي برابر E/c است، كه با نتيجه نظريه كلاسيك توافق دارد.
هر فوتون در باريكه‌اي از تابش الكترومغناطيسي تكفام با طول موج λ داراي اندازه حركتي برابر با h/λ مي‌باشد كه در آن h ثابت پلانك و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتي كه يك باريكه الكترومغناطيسي تكفام را به عنوان مجموعه‌اي متشكل از فوتونهاي ذره‌گونه ، كه هر يك داراي انرژي و اندازه حركت دقيقا معلوم هستند، در نظر بگيريم عملا پراكندگي تابش الكترومغناطيسي به صورت برخورد فوتون با يك ذره باردار درمي‌آيد.
اين مسئله صرفا با بكار بردن قوانين بقاي اندازه حركت و انرژي حل مي‌شود. البته لازم به ذكر است كه در كاربرد قوانين بقا ، به جزئيات برهمكنش توجه نمي‌شود، بلكه فقط به انرژي كل و اندازه حركت كل قبل و بعد از برخورد پرداخته مي‌شود.
مشخصات اثر كامپتون
بررسي برخورد كامپتون بين يك فوتون و يك الكترون مبتني بر اين فرض است كه الكترون پراكنده بايد تقريبا آزاد و ساكن باشد. البته ، هر الكترون موجود در ماده در حركت است و تا حدي به اتم مادر خويش مقيد است، ولي الكترونهاي لايه‌هاي بيروني اتم را مي‌توان عملا آزاد در نظر گرفت (الكترون آزاد) ، چون انرژي بستگي آنها خيلي كمتر از انرژي يك فوتون اشعه ايكس است.
طول موج فوتونها بايد در حد و اندازه ذره پراكننده باشد. بنابراين اثر كامپتوني كه در آن فوتون توسط الكترونهاي نسبتا آزاد اتم پراكنده مي‌شود، توسط پرتوهاي ايكس امكان پذير است.
در اثر كامپتون ، برخلاف اثر فوتوالكتريك ، فوتون نابود نمي‌شود، بلكه فوتون بوسيله الكترون پراكنده مي‌شود. در اينصورت مقداري از اندازه حركت فوتون به الكتروني كه در ابتدا ساكن است، منتقل مي‌شود. بنابراين اندازه حركت و در نتيجه انرژي فوتون پراكنده كمتر از اندازه حركت و انرژي فوتون فرودي بوده و الكترون نيز ديگر ساكن نخواهد بود.
تغيير در طول موج فوتونهاي پراكنده شده به وسيله الكترونها از رابطه زير تبعيت مي‌كند:
(Δλ = λَ - λ = hm0 (1 - CosӨ
در رابطه فوق m0 جرم سكون الكترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانك ، θ زاويه پراكندگي ، λ طول موج فوتون تابشي و λَ طول موج فوتون پراكنده است.
بر اساس رابطه فوق ، فوتونهايي كه تحت زاويه 180 درجه پراكنده مي‌شوند، تغيير طول موجي پيدا نمي‌كنند. (برخورد شاخ به شاخ)
رابطه فوق زماني‌كه ثابت پلانك به سمت صفر و جرم سكون الكترون به سمت بينهايت ميل مي‌كند، به نظريه كلاسيك پراكندگي تحويل مي‌گردد.
زماني كه يك پرتو نور بر روي ماده‌اي مي‌تابد، انواع برهمكنشهاي مختلف بين فوتون و ماده متصور است (اثر تابش بر ماده). از جمله اين برهمكنشها ، مي‌توان به اثر كامپتون اشاره كرد. مي‌توان گفت كه اين اثر مستقيم‌ترين گواه بر خاصيت ذره‌اي نور مي‌باشد. در زندگي روزمره خود بارها اين اثر را مشاهده مي‌كنيم. به عنوان مثال ، نور خورشيد بعد از تابش با عناصر موجود در جو زمين اندركنش انجام مي‌دهد.
تاريخچه پايه محكم ديگر براي فرضيه كوانتومي نور ، توسط فيزيكدان آمريكايي ، آرتور كامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. كامپتون نوازنده گيتار ، قهرمان تنيس و محقق نامداري در بررسي پرتو كيهاني بود. كامپتون دانشمند تجربي‌كار متعصبي بود كه ميل داشت برخورد كوانتومهاي نور و الكترونها را ، عينا مانند برخورد گلوله‌هاي عاج بر روي ميز بيليارد ، تصور و تجسم كند. اثر كامپتون مستقيم‌ترين گواه بر طبيعت ذره‌اي تابش است.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/c/cd/camptoneff.JPG
نظريه كلاسيك پراكندگي امواج الكترومغناطيسي وقتي امواج الكترومغناطيسي تكفام به ذره بارداري كه اندازه آن از طول موج تابش خيلي كمتر است برخورد كند، اصولا ميدان الكتريكي متغير سينوسي موج ، بر روي اين ذره باردار اثر مي‌گذارد. اين ذره تحت تاثير نيروي الكتريكي متغير ، با همان فركانس تابشي ، حركت نوساني هماهنگ انجام مي‌دهد و چون بطور پيوسته شتاب مي‌گيرد، در تمام جهات با همان فركانس تابش الكترومغناطيسي گسيل مي‌كند.
بنابراين نظريه كلاسيك پيشگويي مي‌كند كه تابش پراكنده داراي همان فركانس تابش فرودي خواهد بود. ذره باردار نقش يك عامل انتقال را بازي مي‌كند، زيرا انرژي را از پرتو فرودي مي‌گيرد و مجددا آن را با همان فركانس ، ولي در تمام جهات پراكنده مي‌كند. نظريه كلاسيك پراكندگي براي تابش با طول موجهاي مرئي و همه طول موجهاي بلندتر با تجربه توافق دارد.
نظريه كوانتومي پراكندگي امواج الكترومغناطيسي در نظريه كوانتومي ، تابش الكترومغناطيسي شامل فوتونهايي است كه انرژي هر يك با E = hv بيان مي‌شود. چون يك فوتون را مي‌توان به عنوان يك ذره با جرم سكون صفر ، كه با سرعت نور حركت مي‌كند، در نظر گرفت. بزرگي اندازه حركت خطي متناظر با اين فوتون بر اساس رابطه دوبروي برابر E/c است، كه با نتيجه نظريه كلاسيك توافق دارد.
هر فوتون در باريكه‌اي از تابش الكترومغناطيسي تكفام با طول موج λ داراي اندازه حركتي برابر با h/λ مي‌باشد كه در آن h ثابت پلانك و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتي كه يك باريكه الكترومغناطيسي تكفام را به عنوان مجموعه‌اي متشكل از فوتونهاي ذره‌گونه ، كه هر يك داراي انرژي و اندازه حركت دقيقا معلوم هستند، در نظر بگيريم عملا پراكندگي تابش الكترومغناطيسي به صورت برخورد فوتون با يك ذره باردار درمي‌آيد.
اين مسئله صرفا با بكار بردن قوانين بقاي اندازه حركت و انرژي حل مي‌شود. البته لازم به ذكر است كه در كاربرد قوانين بقا ، به جزئيات برهمكنش توجه نمي‌شود، بلكه فقط به انرژي كل و اندازه حركت كل قبل و بعد از برخورد پرداخته مي‌شود.
مشخصات اثر كامپتون
بررسي برخورد كامپتون بين يك فوتون و يك الكترون مبتني بر اين فرض است كه الكترون پراكنده بايد تقريبا آزاد و ساكن باشد. البته ، هر الكترون موجود در ماده در حركت است و تا حدي به اتم مادر خويش مقيد است، ولي الكترونهاي لايه‌هاي بيروني اتم را مي‌توان عملا آزاد در نظر گرفت (الكترون آزاد) ، چون انرژي بستگي آنها خيلي كمتر از انرژي يك فوتون اشعه ايكس است.
طول موج فوتونها بايد در حد و اندازه ذره پراكننده باشد. بنابراين اثر كامپتوني كه در آن فوتون توسط الكترونهاي نسبتا آزاد اتم پراكنده مي‌شود، توسط پرتوهاي ايكس امكان پذير است.
در اثر كامپتون ، برخلاف اثر فوتوالكتريك ، فوتون نابود نمي‌شود، بلكه فوتون بوسيله الكترون پراكنده مي‌شود. در اينصورت مقداري از اندازه حركت فوتون به الكتروني كه در ابتدا ساكن است، منتقل مي‌شود. بنابراين اندازه حركت و در نتيجه انرژي فوتون پراكنده كمتر از اندازه حركت و انرژي فوتون فرودي بوده و الكترون نيز ديگر ساكن نخواهد بود.
تغيير در طول موج فوتونهاي پراكنده شده به وسيله الكترونها از رابطه زير تبعيت مي‌كند:
(Δλ = λَ - λ = hm0 (1 - CosӨ
در رابطه فوق m0 جرم سكون الكترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانك ، θ زاويه پراكندگي ، λ طول موج فوتون تابشي و λَ طول موج فوتون پراكنده است.
بر اساس رابطه فوق ، فوتونهايي كه تحت زاويه 180 درجه پراكنده مي‌شوند، تغيير طول موجي پيدا نمي‌كنند. (برخورد شاخ به شاخ)
رابطه فوق زماني‌كه ثابت پلانك به سمت صفر و جرم سكون الكترون به سمت بينهايت ميل مي‌كند، به نظريه كلاسيك پراكندگي تحويل مي‌گردد.