ظاهرة كومبتون أو تأثير كومبتون Compton Effect هي عبارة عن ظاهرة يحدث فيها تشتت للفوتون نتيجة تصادمه مع جسيم مشحون حر مثل الالكترون. وهي ظاهرة كمومية تؤكد الطبيعة الجسيمية للإشعاع الكهرومغناطيسي (الفوتون) ولا يمكن ان تفسر هذه الظاهرة بالاعتماد على الفيزياء الكلاسيكية وقد سميت هذه الظاهرة على اسم الفيزيائي الذي اكتشفها.
طور العالم الفيزيائي الأمريكي آرثر هولي كومبتون ” Arthur Holly Compton ” نظريته من خلال دراسة تأثير تشتت اشعة اكس بواسطة الالكترونات. لقد اكتسبت نظرية كومبتون لتشتت اشعة اكس أهميتها لأنها دعمت الطبيعة الجسيمية للإشعاع الكهرومغناطيسي التي افترضها العالم ألبرت آينشتاين واستند عليها في تفسير الظاهرة الكهروضوئية. نشر كومبتون بحثه في العام 1923، في مجلة The Physical Review، وكان عنوان بحثه “نظرية الكم لتشتت اشعة اكس بواسطة عناصر خفيفة”. ملاحظة: تشير “العناصر الخفيفة” هنا إلى جسيمات ذات كتل صغيرة جدًا، مثل الإلكترونات. ساهمت ميكانيكا الكم في إيجاد تفسير على ظاهرة التشتت التي تحدث للفوتون عند اصطدامه بإلكترون حر في حين لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها. وفي هذا المقال سوف نوضح ظاهرة التشتت هذه التي درسها العالم كومبتون وكيف فسرتها ميكانيكا الكم.
التصادم المرن وظاهرة كومبتون
عندما تلعب لعبة البلياردو مثلا فانت تعرف بحكم الممارسة اين يجب ان توجه عصا البلياردو وتتحكم بزاوية التصادم وتقدر السرعة المطلوبة لتسقط الكرة المحددة في المكان المخصص لها.
بمراقبة لعبة البلياردو سوف تكتشف ان المباراة تعتمد على مبدأ التصادم المرن! فاللاعب يقوم بتزويد الكرة البيضاء بطاقة حركية بواسطة عصا البلياردو التي بدورها تتصادم مع كرة ملونة (الكرة الحمراء) بزاوية محددة فتكتسب الكرة الحمراء طاقة حركية، وتتحرك على حساب الطاقة الحركية للكرة البيضاء. تفقد الكرة البيضاء اما كل طاقتها الحركية فتتوقف او تفقد جزء من طاقتها الحركية وتنحرف عن مسارها قبل التصادم. وتستمر اللعبة بهذه الطريقة. ويكون هذا النوع من التصادم هو تصادم مرن يتم فيه الحفاظ على طاقة وكمية الحركة قبل وبعد التصادم. أي ان طاقة الحركة وكمية الحركة محفوظتنا.
لاحظ ان عصا البلياردو تنقل طاقة الحركة إلى الكرة البيضاء والتي بدورها تنقلها إلى الكرة الحمراء
ما يحدث في ظاهرة كومبتون هو ما يحدث على طاولة البلياردو حيث يقوم الفوتون (الكرة البيضاء) بالتصادم مع الكترون حر (الكرة الحمراء). يكتسب الالكترون الحر طاقة حركية ويفقد الفوتون جزء او كل طاقته. فقدان الفوتون للطاقة هو نقصان في تردده بمعنى زيادة في طوله الموجي! والان لنوضح هذا الامر بمزيد من التفصيل.
ظاهرة كومبتون والطبيعة الجسيمية للإشعاع (الفوتون)
اعتبرت ظاهرة تأثير كومبتون طفرة فيزيائية في مطلق القرن العشرين، حيث أكدت على الطبيعة الجسيمية للإشعاع. شرح كومبتون الخواص الجسيمية للإشعاع من خلال تجربته في التشتت.
وجدت التجربة زيادة في الطول الموجي للإشعاع المتشتت. اكتشف أيضًا أن الفوتون المتشتت قد انحرف عن زاويته الأولية (زاوية السقوط). هذا التشتت هو ناتج عن تصادم مرن ونعلم ان التصادم هو طبيعة جسيمية، وهنا احتار العلماء في تفسير هذا التصادم بناء على النظرية الموجية للإشعاع..
الآن، دعونا نلقي نظرة فاحصة على التجربة التي أجراها العالم كومبتون!
تجربة توضح ظاهرة كومبتون
عندما تسقط أشعة اكس ذات الطول الموجي λi، على إلكترون حر، فان أشعة اكس المتشتتة المتصادمة مع الالكترون الحر يكون لها طول موجي مختلف وليكن λf. وجد كومبتون من خلال تجاربه ان هناك دائما زيادة في الطول الموجي لأِشعة اكس المتشتتة.
تشتت اشعة اكس بواسطة الالكترون يتوافق تماما مع ما عرفناه سابقا بالتصادم المرن، وبالتالي فان هذا يؤكد الطبيعة الجسيمية للإشعاع.
بالاعتماد على خصائص الفيزياء الكلاسيكية لا يمكن باي حال من الأحوال تفسير الزيادة الملحوظة في الطول الموجي للإشعاع المتشتت عن الالكترون الحر، وبالاستعانة بفرضية اينشتاين بان طاقة الاشعاع لا تنتشر بشكل متصل بل تنتشر في صورة كمات محدودة من الطاقة أطلق عليها اسم الفوتون وان طاقة كل فوتون تعتمد على تردده. وحيث ان اشعة اكس ما هي الا اشعة كهرومغناطيسية وإنها تتصرف في ظاهرة كومبتون كما لو كانت جسيمات منفصلة من الطاقة أي فوتونات، فانه يسهل تفسير ما يحدث في تجربة كومبتون.
بتطبيق قوانين حفظ الطاقة وكمية الحركة للأجسام المتصادمة قبل وبعد التصادم يمكن إيجاد علاقة تحسب مقدار التغير في الطاقة للإشعاع المتشتت (الفوتون) او بمعنى اخر إيجاد التغير في طوله الموجي، وكذلك التغير في طاقة حركة الالكترون بعد التصادم.
توضح ظاهرة كومبتون العلاقة بين الطول الموجي للفوتون الساقط والفوتون المتشتت بعد تصادمه مع الكترون حر.
تجربة تشتت كومبتون
المعادلة الرياضية لظاهرة كومبتون
تعطى المعادلة الرياضية التي تصف ظاهرة كومبتون من خلال المعادلة ادناه:
حيث ان Θ هي زاوية التشتت، أي الزاوية بين الشعاع الساقط والشعاع المتشتت وتعطى λc والتي تعرف بالطول الموجي لكومبتون والتي تساوي 2.43×10-12 متر
حيث h هو ثابت بلانك وme هي كتلة الالكترون وc سرعة الضوء في الفراغ.
تؤكد المعادلة أعلاه أن زاوية التشتت لا تعتمد على الأطوال الموجية للإشعاع، ولكنها تعتمد على التغير في الطول الموجي.
يمكنك الحصول على شرح مفصل لاشتقاق معادلة كومبتون من هنا وكذلك مشاهدة هذه المحاضرة لمزيد من المعلومات.
مقارنة البيانات التجريبية بالقيم النظرية
حصل كومبتون من تجربته على البيانات التجريبية عن طريق قياس تشتت الأشعة الكهرومغناطيسية (اشعة اكس) على الإلكترون. حصل على اشعة اكس من هدف من مادة الموليبدينوم لتسقط وتتشتت على سطح من مادة الجرافيت. تم قياس الطول الموجي للأشعة المتشتت عند زوايا مختلفة ومن ثم رسم هذه القراءات. كان الرسم البياني الذي حصل عليه لعلاقة الطول الموجي مع زاوية التشتت على النحو المبين في الشكل ادناه.
الرسم البياني الذي حصل عليه كومبتون من تجاربه على تشتت اشعة اكس عن الكترونات مادة الجرافيت.
احتوى الرسم البياني من كلا الأطوال الموجية. الطول الموجي لاشعة اكس من هدف الموليبدينوم وهي الاشعة الأولية قبل سقوطها على الكترونات مادة الجرافيت، والطول الموجي للأشعة المتشتت عن الكترونات مادة الجرافيت. تمت مقارنة النتائج العملية تلك مع توقعات معادلته التي طورها وتبين انهما متطابقتين تماما!
التجربة التي صممها كومبتون لإجراء تجاربه على تشتت اشعة اكس.
عند زاوية تشتت مقدارها 45 درجة لاحظ كومبتون زيادة في الطول الموجي مقدارها 0.022×10-10 متر. ونتائج نظريته وحساباته كانت تعطي 0.024×10-10 متر. استنتج كومبتون ان هذا يعتبر توافق مدهش. وتؤكد على ان الزيادة في الطول الموجي تعتمد على زاوية التشتت.
تعتبر ظاهرة كومبتون من أكثر النظريات عمقًا وتأثيرًا والتي تثبت الطبيعة الموجية للإشعاع الكهرومغناطيسي.
تطبيقات ظاهرة كومبتون
وجدت ظاهرة كومبتون تطبيقاتها في علم الأحياء الإشعاعي لعلاج مرضى السرطان من خلال العلاج الإشعاعي. كما وتشتمل التطبيقات الأخرى لتشتت كومبتون في استخدامه في مقياس كثافة تشتت كومبتون Compton Scatter Densitometer الذي يستخدم في الكشف عن العيوب والشوائب في الاجسام. كما ان التصوير بتشتت كومبتون Compton Scattering Imaging يستخدم في قياس الكثافة الفيزيائية للأجسام.
A ماسح تصوير مقطعي محوسب يعتمد في عمله على الامتصاص من خلال الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة تشتت كومبتون. صورة تشتت كومبتون
في يومنا هذا ظهرت العديد من المجالات كتطبيقات لتأثير كومبتون. لكان القرن العشرين، بعد اكتشاف كومبتون، تحولا تاريخيًا في دراسة وتطوير ميكانيكا الكم. كانت ظاهرة كومبتون بمثابة تطور ثوري في مجال ميكانيكا الكم. إنها تأكيد لفكرة الخواص الموجية والجسيمية المزدوجة والتي فتحت أبعادًا جديدة للتفكير البشري في أوائل القرن العشرين.
