57. Enrico Borghi – L’effetto Compton


L’effetto Compton si manifesta nei fenomeni in cui radiazione elettromagnetica (raggi X o raggi gamma) viene diffusa attraverso un corpo materiale, ad esempio una lamina di grafite.                                                                                                                                                     La radiazione interagisce con la struttura elettronica del corpo uscendone con una lunghezza d’onda che risulta essere maggiore della lunghezza d’onda in ingresso di una quantità che dipende dalla direzione dei raggi di uscita rispetto alla direzione dei raggi di ingresso.                                                                                                                                              Non vi è modo di spiegare questo fenomeno basandosi sull’Elettromagnetismo maxwelliano.                                                                                                                                        Nel 1923 A. Compton riprese una assunzione di Einstein riguardante la natura della radiazione e.m. formulata nel corso di un suo studio sul fenomeno fotoelettrico, nel quale ipotizzò che tale radiazione dovesse essere considerata non un oggetto fisico continuo, ma un flusso discreto di quanti, che ora conosciamo come fotoni, dotati di una frequenza uguale a quella della radiazione.                                                                                             Compton osservò che, se la diffusione della radiazione in attraversamento del corpo poteva essere considerata una conseguenza dell’urto di fotoni contro gli elettroni della struttura atomica della sostanza, la spiegazione del fenomeno poteva essere data con facilità.    Infatti bastava pensare che un fotone, urtando contro un elettrone, gli comunicasse parte della sua energia che così subiva una diminuzione. Ma l’energia di un fotone è data dal prodotto della costante di Planck per la frequenza del fotone: una diminuzione di energia causa una diminuzione di frequenza e quindi dà origine a un aumento della lunghezza d’onda, come l’esperienza mostra.                                                                                         L’analisi dettagliata del fenomeno basata sulla legge di conservazione relativistica della somma dei quadrivettori energia-momento di un fotone e di un elettrone considerata prima e dopo l’urto, permette di ritrovare nel modo più soddisfacente ogni aspetto di ciò che l’esperienza mostra.                                                                                                             Dunque quello che ora viene chiamato effetto Compton dà una conferma precisa e convincente della esistenza dei fotoni ipotizzati da Einstein. La radiazione e.m. risulta essere costituita di quanti non solo quando interagisce con la materia, ma anche quando si sposta nel vuoto alla velocità della luce.

Infine notiamo che sia l’effetto Compton sia l’effetto fotoelettrico, esaminato nello studio omonimo presente in “fisicarivisitata”, riguardano le conseguenze dell’urto di un fotone contro la struttura elettronica della materia.                                                                               Può essere interessante mettere in evidenza le differenze fra i due urti.                        Quando un fotone urta contro un elettrone scarsamente legato a un atomo e pressoché fermo (se lo si confronta col fotone) si ha l’effetto Compton se il fotone è così energetico (radiazione X o gamma) che non può essere assorbito dall’elettrone perché non verrebbe soddisfatta la condizione della conservazione dell’energia-momento delle due particelle (v. l’Appendice), e non si ha l’effetto Compton se il fotone urta contro un elettrone strettamente legato perché la differenza fra la lunghezza d’onda in uscita e la lunghezza d’onda in ingresso è inversamente proporzionale alla massa dell’atomo contro cui il fotone va, di fatto, a collidere e questo rende tale differenza prossima a zero; si ha l’effetto fotoelettrico se il fotone è meno energetico (radiazione ultravioletta o visibile) e può essere assorbito da un elettrone legato cosicché se la frequenza del fotone è superiore alla frequenza di soglia si ha espulsione dell’elettrone.

 

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