در برخورد الکترون فوتونی چه اتفاقی می افتد؟
در این فرایند ، انرژی فوتون به طور کامل به جرم دو ذره تبدیل می شود. ... ضد الکترون یک فوتون با الکترون فوتون دیگر برخورد می کند و به نور باز می گردد. همین امر در مورد دیگر الکترون ها و الکترون ها نیز اتفاق می افتد
هنگام برخورد دو فوتون چه اتفاقی می افتد؟
فوتونها مستقیماً با یکدیگر تعامل ندارند ، اما اگر یک جفت فوتون e+/e- تولید کند ، فوتون دوم می تواند با آن جفت تعامل داشته باشد. تعامل باید انرژی دو فوتون را حفظ کند و البته حرکت آنها را نیز حفظ کند
در صورت برخورد فوتون و الکترون چه اتفاقی می افتد؟
اثر کامپتون نامی است که فیزیکدانان به برخورد فوتون و الکترون داده اند. فوتون از الکترون هدف خارج شده و انرژی خود را از دست می دهد. این برخوردها که به آنها الاستیک گفته می شود ، هنگام عبور گاما از ماده با اثر فوتوالکتریک رقابت می کند. به تضعیف آنها کمک می کند.هنگام برخورد فوتون با اتم چه اتفاقی می افتد؟
نتیجه تصویر برای برخورد الکترون با فوتون چه می شود؟ تبادل پشته
یک الکترون آزاد می تواند انرژی و حرکت جنبشی خود را با جذب فوتون و سپس انتشار فوتون دیگری با انرژی متفاوت تغییر دهد. در این فرایند ، اگر یک برخورد تصور شود ، فوتون ورودی از یک الکترون با انرژی متفاوت پراکنده می شود و انرژی و حرکت را به الکترون می سپارد.
هنگامی که یک فوتون پرانرژی (مانند فوتون گاما یا اشعه ایکس) مانند الکترون به یک ذره باردار برخورد می کند ، در اثر برخورد غیر ارتجاعی ، فوتون مقداری انرژی از دست می دهد و الکترون پراکنده می شود. انرژی از دست رفته توسط فوتون برابر با انرژی بدست آمده از الکترون پراکنده خواهد بود. این فرایند پراکندگی غیر کششی الکترون توسط یک فوتون را پراکندگی کامپتون و پدیده را اثر کامپتون می نامند. این آزمایش ماهیت ذره ای تابش را مانند اثر فوتوالکتریک تضمین می کند.از آنجا که انرژی فوتون حادثه ای کاهش می یابد ، طول موج آن باید افزایش یابد (و فرکانس مطابق رابطه کاهش یابد:
$E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$
(به همین دلیل فوتون زرد در انیمیشن به فوتون قرمز تبدیل شد).
بنابراین طول موج فوتون پراکنده بیشتر از فوتون حادثه ای خواهد بود. این فرایند با اثر الکتریکی عکس در این واقعیت متفاوت است که در اثر فوتوالکتریک ، یک فوتون به طور کامل جذب الکترون می شود. انرژی جذب شده به عنوان تابع کار + انرژی جنبشی الکترون (در مورد فلزات) ظاهر می شود.
فوتون معمولاً در اصل "همه یا هیچ" در جایی که انرژی کامل فوتون یا جذب می شود یا نه کار می کند. یعنی فوتون تا حدی جذب نمی شود. این در توضیح اثر فوتوالکتریک استفاده می شود. اما ، در اینجا به دلیل پراکندگی غیر ارتجاعی ، فوتون می تواند مقداری از حرکت خود$\displaystyle{pc=\frac{E}{c}=\frac{h}{\lambda}}$ را به الکترون منتقل کند.
اشعه ایکس بسیار پرانرژی است و دارای انرژی اتصال بسیار بزرگتر از الکترون اتمی (در محدوده keV) است. بنابراین به محض برخورد با الکترون اتمی ، الکترون آزاد می شود. آزمایش کامپتون ثابت کرد که نور می تواند به عنوان جریانی از اجسام شبیه ذرات (کوانتوم انرژی) رفتار کند که انرژی آنها متناسب با فرکانس موج نور است. اگر فوتون دارای انرژی کم اما کافی باشد که مربوط به نور مرئی و اشعه ایکس نرم است ، می تواند به جای انجام پراکندگی کامپتون ، الکترون را به طور کامل از اتم میزبان خود خارج کند (فرآیندی که به عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته می شود).
الکترون را در حالت استراحت در نظر بگیرید. یک فوتون اشعه ایکس از سمت چپ می آید و مطابق شکل روی الکترون برخورد می کند.الکترون با انتقال شتاب مطابق انتظار در برخورد ذرات ، مقداری انرژی به دست می آورد. بنابراین فوتون مقداری انرژی و الکترون مقداری انرژی از دست می دهد. اجازه دهید λ طول موج فوتون حادثه و λ that طول فوتون پراکنده باشد. انرژی اولیه فوتون در حال حاضر برابر است با مجموع انرژی بدست آمده از الکترون و انرژی فوتون پراکنده که برای حفاظت از انرژی لازم است. در اینجا θ نشان دهنده زاویه پراکندگی فوتون است. کامپتون همچنین این احتمال را مطرح کرد که برهم کنش فوتون با الکترون گاهی اوقات الکترون را به سرعتهایی نزدیک می کند که به اندازه کافی نزدیک به سرعت نور است و برای توصیف صحیح انرژی و حرکت آن نیاز به استفاده از نظریه نسبیت خاص اینشتین است. اصل اساسی مورد استفاده در پراکندگی کامپتون حفظ انرژی و حرکت است.
از این رو
$E_\gamma+E_e=E_{\gamma^\prime}+E_{e^\prime}\longrightarrow{conservation\space of\space energy}$
جایی که سمت چپ نشان دهنده انرژی فوتون و الکترون قبل از برخورد است ، سمت راست نشان دهنده انرژی فوتون و الکترون پس از برخورد است. (حرف اول نشان می دهد که پارامتر با پراکندگی مرتبط است).
همچنین
$\vec{p_{\gamma}}+\vec{p_{e}}=\vec{p_{\gamma^\prime}}+\vec{p_{e^\prime}}$
از آنجا که حرکت اولیه الکترون در حالت سکون صفر است ، می نویسیم
$\vec{p_{\gamma}}=\vec{p_{\gamma^\prime}}+\vec{p_{e^\prime}}\longrightarrow{conservation\space of\space momentum}$
حال با توجه به اثرات نسبیتی ،
$E_e=m_e c^2 \space \space \space (m_e-rest\space mass\space of\space electron)$
$E_{e^\prime}=\sqrt{(p_{e^\prime}c)^2+(m_e c^2)^2}$
با اشاره به حفظ معادله انرژی
$\frac{hc}{\lambda}+m_e c^2=\frac{hc}{\lambda^\prime}+\sqrt{(p_{e^\prime}c)^2+(m_e c^2)^2}$
تنظیم مجدد هر دو طرف و مربع شدن
$(p_{e^\prime}c)^2= (\frac{hc}{\lambda}+m_e c^2-\frac{hc}{\lambda^\prime})^2-m_e^2 c^4$
یا
$(p_{e^\prime}c)^2=(\frac{hc}{\lambda})^2+(\frac{hc}{\lambda^\prime})^2+(\frac{1}{\lambda}-\frac{1}{\lambda^\prime})2hcm_e c^2-\frac{2h^2c^2}{\lambda \lambda^\prime}\longrightarrow(1)$
از این عبارت می توانیم اندازه فوتون پراکنده را بیابیم. مشاهده می شود که تکانه ای که توسط الکترون پراکنده به دست می آید بیشتر از تکانه ای است که فوتون از دست می دهد. این نتیجه ای از اثر نسبیتی است زیرا حتی اگر حرکت اولیه الکترون صفر باشد ، انرژی استراحت دارد).
اکنون ، از حفظ معادله حرکت ، می نویسیم
$\vec{p_{e^\prime}}=\vec{p_\gamma}-\vec{p_{\gamma^\prime}}$
با استناد به محصول اسکالر
$p_{e^\prime}^2=\vec{p_{e^\prime}}\cdot \vec{p_{e^\prime}}=(\vec{p_\gamma}-\vec{p_{\gamma^\prime}})\cdot (\vec{p_\gamma}-\vec{p_{\gamma^\prime}})$
یا بر اساس قاعده کسینوس ها
$p_{e^\prime}^2=p_\gamma^2+p_{\gamma^\prime}^2-2p_\gamma p_{\gamma^\prime} \cos\theta$
ضرب هر دو طرف در c2 ، ما داریم
$p_{e^\prime}^2 c^2=p_\gamma^2 c^2+p_{\gamma^\prime}^2 c^2-2c^2 p_\gamma p_{\gamma^\prime} \cos\theta$
برای فوتون $E=pc=hc/\lambda$ بنابراین ، دو عبارت اول در سمت راست معادله فوق به ترتیب نشان دهنده مربع انرژی های حادثه و فوتون های پراکنده هستند. از این رو می نویسیم
$p_{e^\prime}^2 c^2=(\frac{hc}{\lambda})^2+(\frac{hc}{\lambda^\prime})^2-\frac{2h^2c^2\cos\theta}{\lambda \lambda^\prime}\longrightarrow(2)$
هر دو معادله (1) و (2) را مقایسه می کنیم
$(\frac{1}{\lambda}-\frac{1}{\lambda^\prime})2hcm_e c^2-\frac{2h^2c^2}{\lambda \lambda^\prime}=-\frac{2h^2c^2\cos\theta}{\lambda \lambda^\prime}$
یا
$(\lambda^\prime-\lambda)m_e c-h=-h\cos\theta\Rightarrow (\lambda^\prime-\lambda)m_e c={h}(1-\cos\theta)$
یا
${\color{red}{ \Delta\lambda=(\lambda^\prime-\lambda)=\frac{h}{m_ec} (1-\cos\theta)}}$
که باعث تغییر طول موج فوتون پراکنده و حادثه ای می شود که Compton Shift نامیده می شود
واضح است که وقتی θ = 00 ، هیچ تغییری در طول موج ایجاد نمی شود ، به این معنی که اگر فوتون حادثه ای بدون تغییر حرکت کند ، در انرژی فوتون تغییری ایجاد نمی شود. این بدان معناست که هیچ الکترون در مسیر آن وجود نخواهد داشت. وقتی θ = 1800 باشد ، فوتون حادثه به عقب منعکس می شود و تغییر طول موج حداکثر خواهد بود ، به این معنی که فوتون و جابجایی مربوط به حداکثر انرژی است که الکترون می تواند بدست آورد..I hope I help you understand the question. Roham Hesami
رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا