Compton Saçılması Umut Öncül
Compton Saçılması Soru Çözümleri Umut Öncül
Compton Olayı Hocalara Geldik
1919 yılında Einstein, ışık fotonlarının doğrusal bir momentuma sahip olduğunu ileri sürmüş, fotonların atom ile etkileşimlerinde soğurulmalar veya yayınlanmalar olabilmesi için atoma enerji ve momentum aktarılması gerektiğini söylemiştir.
Arthur Holly Compton (Arthır Holy Kamptın, 1892-1962) (Görsel 5.11), fotonların hem enerji hem de momentum taşıdığı fikrini destekleyen bir deney yapar. Bir karbon hedefe X-ışınları gönderir. Compton, elektrona çarpıp saçılan X-ışınlarının (Görsel 5.12) şiddetini ve dalga boyunu ölçerek saçılmanın klasik dalga teorisi ile açıklanamayacağını gösteren önemli sonuçlara ulaşır.
Bir elektrona Şekil 5.21: a’daki gibi gönderilen enerjisi Ef frekansı f ve dalga boyu λ olan X-ışını fotonu bu çarpışma sırasında bir parçacık gibi davranarak Şekil 5.21: b’deki gibi elektronun saçılmasını sağlar.
Foton ve elektronun çarpışması, merkezi olmayan esnek çarpışma şeklinde gerçekleşir. Momentumun korunumu yasası gereği gelen fotonun momentumu (P), saçılan fotonun momentumu (P′) ile saçılan elektronun momentumunun (Pe) vektörel toplamına eşittir (Şekil 5.22). Enerjinin korunumu yasasından gelen fotonun enerjisi (Ef ) saçılan fotonun enerjsi (E′) ile saçılan elektronun kinetik enerjisinin (Ee) toplamına eşit olur ve E0 = E + Ee şeklinde ifade edilir. Bu durumda gelen fotonun enerjisi saçılan fotonun enerjisinden büyüktür. Fotonların enerjileri frekansları ile doğru orantılı olduğundan gelen fotonun frekansı (f) saçılan fotonun frekansından (f′) daha büyük olur (f > f′). Fotonların enerjileri dalga boyları ile ters orantılı olduğundan saçılan fotonun dalga boyu (λ′), gelen fotonun dalga boyundan (λ) daha büyük olur. (λ′ > λ). Compton saçılması sırasında fotonun dalga boyu ve frekansı değişse de aynı ortamda ilerleyen fotonların hızlarının büyüklükleri eşit olduğundan gelen ve saçılan fotonların hızlarının büyüklükleri de eşit olur. Elektronun hızı ise fotonların hızından daha küçüktür. Compton saçılması sırasında meydana gelen olayların incelenmesi için “Compton saçılması modeli” etkinliğini yapınız.
Compton ve Fotoelektrik Olaylarının Benzer Yönleri
Compton ve fotoelektrik olayları, ışığın dalga doğasının benimsendiği dönemde yapılan ve sonuçları itibariyle ışığın dalga doğasıyla açıklanamayıp ışığın tanecik doğası tarafından açıklanabilen önemli olaylardandır.
Eşik frekansından daha küçük frekansa sahip fotonlardan oluşan ışık demetinin ışık şiddeti artırılsa da fotoelektrik olayı gözlenmez. Bu durum ışığın dalga doğası tarafından açıklanamaz. Işık dalga ise elektrona aktarılan enerjinin dalganın şiddetine bağlı olması gerekir. Işık şiddeti artırıldığında dalganın enerjisi artacağından elektron kopması beklenir. Aynı durum metal yüzeyinden koparılan fotoelektronların maksi- mum kinetik enerjileri için de geçerlidir. Işık şiddeti artırıldığında yüzeye düşen foton sayısı artar, buna bağlı olarak yüzeyi terk eden fotoelektronların sayısı da artar. Ancak fotoelektronların maksimum kinetik enerjilerinde bir değişiklik olmaz. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjileri sadece fotonların frekansının artmasıyla mümkündür. Fotoelektrik olayında dalga doğasının açıklayamadığı bir nokta da fotoelektronların metalden ayrılma sürecidir. Fotonlar metal yüzeyine düştüğü anda (yaklaşık 10-9 s) fotoelektronlar metal yüzeyi terk eder.
Fotoelektrik olayı gibi Compton olayı da ışığın dalga doğası tarafından açıklanamamıştır. Dalga teorisine göre ışık elektromanyetik dalgadır ve enine titreşir. Dalganın elektrik alanının uyguladığı kuvvet nedeni ile elektron titreşmelidir. Titreşen elektron ivmeli hareket yapacağından elektromanyetik dalgalar yaymalı ve yayılan dalgaların frekans ve dalga boyları gelen X-ışını fotonununkine eşit olmalıdır. Compton olayında klasik fizik tarafından açıklanamayan bir diğer nokta da saçılan elektronların gelen fotonların doğrultusunda olmayıp bu doğrultu ile belli bir açı yapmasıdır.
Işığın Doğası
Işık, insanlar için temel bir enerji çeşididir. Işık enerjisi eski zamanlardan beri insanların ilgisini çekmiş, insanlar tarafından ışığın doğası ve özellikleri hakkında tartışmalar yapılmıştır. Newton, ışığın tanecik yapısını kullanarak kırılma ve yansıma olaylarını açıklamıştır. Newton’ın tanecik teorisi, uzun yıllar kullanılmış ve çoğu bilim insanı tarafından bu teori desteklenmiştir. 1648 yılında Christian Huygens (Kıristiyan Huygıns, 1624-1695), ışığın dalga teorisinin yansıma ve kırılma olaylarını da açıkladığını kanıtlamış ancak bu görüş destek görmemiştir. 1801 yılında Thomas Young (1773-1829), girişim deneyini yaparak ışığın dalga doğasını açıkça ortaya koymuştur. Einstein, ortaya koyduğu teoriyle ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu belirtmiştir. Bu durumlar ışığın ikili doğaya sahip olduğunu gösterir. Işık bazı olaylarda tanecik gibi davranırken bazı olaylarda dalga yapısına sahiptir. Tablo 5.2’de bazı ışık olaylarının ışığın hangi doğası tarafından açıklandığı verilmiştir.
Madde ve Dalga Arasındaki İlişki
Klasik fizik penceresinden bakıldığında bazı şeyler bütünüyle dalga, bazı şeyler ise yalnızca parçacık olarak görülür. Ancak kuantum fiziği penceresinden mikroskobik parçacıkların dünyasına bakılırsa bu ayrım kesin çizgilerle yapılamaz. Bazı durumlarda parçacık olarak isimlendi- rilen şeylerin, dalga özelliği de gösterdiği kanıtlanmıştır. Louis de Broglie (1892-1967) (Görsel 5.13) 1923 yılında doktora tezinde fotonların hem parçacık hem de dalga doğasına sahip oldukları gibi maddenin her türlü hâlinin de iki özelliğe sahip olabileceğini belirtmiştir. De Broglie’ye göre elektronlar tıpkı ışık gibi hem parça hem de dalga doğasına sahiptir ve her elektrona bir dalga eşlik etmektedir.
