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Compton-Effekt



Als Compton-Effekt bezeichnet man einen physikalischen Vorgang, bei dem die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen (z.B. Licht) nach der Streuung an freien Elektronen um einen Wert Δλ vergrößert wird. Δλ ergibt sich aus dem relativistischen Impuls- und Energieerhaltungssatz, siehe weiter unten.

Der Compton-Effekt ist nach Arthur Holly Compton benannt.

Man beachte, dass für energiereichere Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung) auch die Hüllenelektronen näherungsweise als frei angesehen werden können.

Table of contents
1 Photonenmasse
2 Photonenimpuls
3 Anmerkung

Photonenmasse

Mit kann einem Photon der Energie die Masse zugeordnet werden. Experimentell kann dies z.B. im Schwerefeld der Erde nachgewiesen werden: Ein sich nach oben bewegendes Photon verkleinert seine Frequenz mit zunehmender Höhe, weil es durch die festgelegte Geschwindigkeit nur hierüber Energie in potentielle umwandeln kann.

Photonenimpuls

bzw.  mit :   - experimenteller Nachweis über den Compton-Effekt:

Treffen
Photonen auf einen Streukörper stoßen sie dort elastisch mit freien Elektronen und fliegen mit verändertem Impuls weiter. Um die Impulserhaltung zu erfüllen ändert sich jedoch nicht ihre Geschwindigkeit, die mit konstant bleiben muss, sondern ihre Masse/Energie über die Wellenlänge. Um die Wellenlängenänderung in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel der Photonen (d.h. der Richtungsänderung des Impulses) zu bestimmen geht man von ruhenden Elektronen aus.

Mit

(Energieerhaltungssatz) und

(Impulserhaltungssatz) sowie

(relativistische Impuls-Energie)

ergibt sich:

Eventuell unerwartet hierbei ist, dass die Wellenlängenänderung nur vom Ablenkwinkel , nicht aber von der ursprünglichen Wellenlänge abhängt.

Für ergibt sie die so genannte Compton-Wellenlänge: . Anders betrachtet ist die Compton-Wellenlänge gerade die Wellenlänge eines Photons mit Elektronenmasse (), also der Masse, bei der die meiste Energie auf das gestoßene Elektron übertragen wird.

Die relativ geringe Änderung ist die Ursache dafür, dass der Compton-Effekt nur bei kurzwelliger Strahlung wie Röntgenstrahlung beobachtet werden kann.

Anmerkung

Photonen, die auf feste Elektronen oder Atomkerne treffen, ändern zwar ihre Bewegungsrichtung, nicht aber ihre Frequenz, da die festen Teilchen praktische keine kinetische Energie erhalten. Dadurch besteht die gestreute Strahlung neben der durch den Compton-Effekt langwelligeren Strahlung auch zu einem Anteil aus Strahlung mit der Ausgangswellenlänge, der vom Ablenkwinkel abhängt.




     
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