A fény részecsketermészete

A fényelektromos jelenség kísérleti tényei megerősítették Planck elméletét, azt a feltételezését, hogy az elektromágneses hullámok energiája fénykibocsátáskor és fényelnyeléskor egy adott frekvencián nem változhat akárhogyan, hanem csak a frekvencia h-szorosának egész számú többszörösével. A hf energiaadagokat nevezzük fotonoknak.

A fotoeffektusban egy foton elnyelődésekor egy elektron lép ki a fém felszínéről. Az Einstein-formula lényegében az energia megmaradásának törvényét fejezi ki ebben a folyamatban: a foton energiája fedezi az elektron kiszakításához szükséges kilépési munkát és a kilépő elektron mozgási energiáját.

A fotoeffektus folyamata azt a képet sugallja, hogy a foton viselkedése egy felületre becsapódó lövedékre hasonlít, amely egy elektront lök ki a felületből. Így született meg a fény részecsketermészetének elképzelése. Eszerint a fényben energiacsomagok, fotonok terjednek, melyek viselkedése a fotóeffektusban a részecskék viselkedésére hasonlít. A klasszikus optika professzorai hevesen tiltakoztak ez ellen, és hosszan sorolták a fény hullámtermészetének bizonyítékait. Hullám vagy részecske? Ez a kérdés hosszú ideig erősen foglalkoztatta a fizikusokat, gondos kísérleti és elméleti vizsgálódásokra késztette őket, melyek eredménye gyökeresen megváltoztatta a fizikai világképet.

A fotonok részecsketermészetének elfogadását nehezítette, hogy nem létezik nyugvó foton. A foton a folyamatok zömében keletkezik vagy elnyelődik, így nem létezik az esemény előtt és után is. A rugalmas ütközések viszont tipikusan a részecskékre jellemző folyamatok, amelyeket a megmaradási törvények segítségével tárgyalhatunk, összehasonlíthatjuk a részecskék ütközés előtti és utáni energiáját és lendületét.

A Compton-szórás jelensége

Először 1923-ban Arthur H. Compton (1892-1962) végzett olyan méréseket, melyekben fotonok elektronokkal ütköznek. Compton olyan nagy energiájú röntgenfotonokat használt, melyek energiájához képest a külső pályákon lévő atomi elektronok energiája elhanyagolható. Ilyenkor úgy tekinthetjük a folyamatot, hogy abban röntgenfotonok álló, szabadnak tekinthető elektronokkal ütköznek. A jelenséget Compton-szórásnak nevezzük, ami arra utal, hogy az álló elektronnak ütköző foton minden irányba eltérülhet, vagyis szóródhat.

A Compton-szóráskor a röntgenfoton és az álló elektron között tökéletesen rugalmas ütközés játszódik le, melyben az ütközés előtti és utáni energiák és lendületek megegyeznek. Az ütközési folyamat ábrázolható, amelyen a foton haladási irányát hullámos nyíl, a meglökött elektron mozgásának irányát egyenes nyíl jelöli.

A foton eltérülésének szöge tetszőleges értékű lehet 0° és 180° között. Az α=0° annak felel meg, hogy egyáltalán nem történik eltérülés, a foton kölcsönhatás nélkül halad el az elektron mellett, az α=180° pedig a visszaszórást jelenti, ekkor a foton "visszapattan" az elektronról, miközben a lehető legnagyobb energiát adja át neki. Minden α>0° értékhez valamilyen β>0° elektroneltérülési szög tartozik. Ilyenkor a foton valamekkora energiát ad át az elektronnak, tehát a foton energiájának csökkennie kell, ami frekvenciájának csökkenésével, hullámhosszának növekedésével jár együtt. Compton mérte a fotonok hullámhosszának növekedését a különböző eltérülési szögekben, amit elméletileg is kiszámított az ütközésre felírt energia és lendület megmaradási egyenletekből. Mérési eredményei igen nagy pontossággal megegyeztek az elméleti számításokkal, így a Compton-szórás a fotonok részecsketermészetének döntő bizonyítékává vált. Munkájáért A. H. Compton 1927-ben Nobel-díjat kapott.

Foton és elektron ütközése a Compton-szórás során