Compton-Effekt

Die Streuung eines Photons an einem Elektron oder einem anderen geladenen Teilchen bezeichnet man als Compton-Effekt (nach Arthur Compton). Dabei vergrössert sich - entgegen der klassischen Vorstellung - die Wellenlänge des Photons. Die Compton-Streuung ist ein wichtiger Wechselwirkungsprozess von Photonen mit Materie für Energien zwischen etwa 100 keV bis 10 MeV.

Impuls und Energie

Der Compton-Effekt kann mit Hilfe der Impuls- und Energieerhaltung erklärt werden

[math]\vec p_{ph_1}=\vec p_{ph_2}+\vec p_{e_2}[/math]

[math]W_{ph_1}+W_{e_1}=W_{ph_2}+W_{e_2}[/math]

wobei die Energie eines Teilchens von der Ruhemasse und vom Impuls abhängt

[math]W=\sqrt{W_0^2+p^2c^2}=\sqrt{m_0^2c^4+p^2c^2}[/math]

Damit lässt sich die Gleichung für die Energieerhaltung neu formulieren

[math]p_{ph_1}c+m_ec^2=p_{ph_2}c+\sqrt{m_e^2c^4+p_{e_2}^2c^2}[/math]

Löst man die Gleichung für die Impulserhaltung nach [math]\vec p_{e_2}[/math] auf und setzt dessen Quadrat in die Energierhaltung ein, erhält man

[math]m_ec\left(p_{ph_1}-p_{ph_2}\right)=p_{ph_1}p_{ph_2}(1-\cos\varphi)[/math]

wobei [math]\varphi[/math] für den Winkel zwischen dem Impuls des Photons vor und nach dem Stoss steht. Dividiert man diesen Ausdruck durch [math]m_ec[/math], [math]p_{ph_1}[/math] und [math]p_{ph_2}[/math], gewinnt man die Gleichung, auf welche die De-Broglie-Beziehung anzuwenden ist

[math]\frac{1}{p_{ph_2}}-\frac{1}{p_{ph_1}}=\frac{1}{m_ec}(1-\cos\varphi)[/math]

Materiewelle

Nach Louis de Broglie darf einem Teilchen eine Welle mit der Wellenzahl k zugeordnet werden

[math]\vec{p} = \hbar \vec{k}[/math]

Für die Wellenlänge [math]\left(\lambda=\frac{2\pi}{k}\right)[/math] gilt damit

[math]\lambda=\frac{h}{p}[/math]

Setzt man diese Wellen-Impuls-Beziehung in die weiter oben formulierte Gleichung ein, erhält man eine Formel für die Vergrösserung der Wellenlänge infolge der Wechselwirkung mit dem Elektron

[math]\Delta\lambda=\lambda_C(1-\cos\varphi)[/math]

wobei für die Compton-Wellenlänge gilt

[math]\lambda_C=\frac{h}{m_ec}[/math] = 2.43 10^-12 m

Die Vergrösserung der Wellenlänge des Photons hängt demnach nur vom Winkel und nicht von der Wellenlänge ab.