Modern Fizikte Compton Saçılması

Kuantum teorisine göre fotonlar hem parçacık hem de dalga şeklinde davranırlar fakat buna rağmen fotonların durgun kütleleri yoktur. Compton saçılması, fotonları dalga-parçacık sorunsallaştırması içerisinde yer verdiğimizi açıklayan olaylardan biridir ve ayrıca Yüksek Enerji Astrofiziğinde önemli bir yere sahiptir.

1923 yılında Arthur Holly Compton fotonun bir elektronla çarpıştırılması olayını açıklığa kavuşturan makalesini Physical Review dergisinde yayınladı. Bu gurur verici çalışması sayesinde 1927 yılında Nobel Fizik Ödülü’nün sahibi oldu.

Bir fotonun bir elektrona çarpıp saçılması, bilardo toplarının birbirine çarpması olayı gibi düşünülebilir mi?

Laboratuvar koşullarında X ışını veya gama ışını fotonu başlangıçta durgun kabul edilen bir elektrona çarpar ve saçılır. Bu durumda elektron ise bir itme kuvveti alır ve hareket etmeye başlar. Çarpışma sonrasında oluşan, gelen ve saçılan fotonlar tabi ki de farklı fotonlardır.

Peki ya Çarpışma Sonrası?

Fotonun çarpışma sırasında, elektronun kazandığı kinetik enerji kadar kaybettiği kinetik enerjiden de bahsedebiliriz.

Bu çarpışma sırasında herhangi bir soğurulan enerji yoktur. Elektronun enerjisi hareket enerjisidir. Yani bu demektir ki çarpışma sırasında mekanik enerji korunmuştur. Eğer aşağıdaki denklemleri incelersek bu durumun ispatı şu şekildedir:

E=hf

                     hf-hf’=1/2mv²

Fotonun enerjisindeki kaybın hf-hf’ , elektronun enerjisindeki kazancın ise 1/2mv^2 olduğunu düşünerek bu denklemi elde edebiliriz.

Kütlesi olmayan bir parçacığın (yani fotonun) momentumu ve enerjisi vardır. Enerjinin momentuma olan bağıntısından bunu elde edebiliriz.

                   E = p.c    

                   hf = p.c           

                   p = hf/c

Burada E fotonun enerjisi p, fotonun momentumu c ise ışığın hızıdır. Formüllere kullanarak momentumu bulmak gayet basittir.

(Bir X ışını fotonu durgun bir elektrona çarptığında elektron momentum kazanarak, foton ise enerjisini ve momentumunu kaybederek saçılır.)

Her çarpışmada enerjinin korunduğu gibi momentum da korunur. Çünkü enerji skaler olmasına karşın, momentum vektörel bir büyüklüktür. Yani hem yönü ve hem de büyüklüğü vardır. Bu durumda çarpışma da birbirine dik iki doğrultunun her bir fotonu saçılma boyunca toplam momentumu sıfır olur.

Compton yapmış olduğu deneyde saçılan X ışınlarının dalga boyunu belirlerken, gelen X ışınlarının dalga boyuna eşit, gözlemlenen X ışınları olduğunu tespit etti.

Deneysel sonuçlarının Compton eşitliği ile muhteşem bir uyum yakalaması, pek çok fizikçiyi kuantum kuramının geçerli olduğuna inandırması efsanevi bir öneme sahiptir.

Yazan: Beyzanur DURSUN

Kaynak*

YouTube Kanalımız

Leave a reply

Please enter your comment!
Please enter your name here