Laureatami Ogólnopolskiego Konkursu na Pracę z Fizyki zostali

Anna Krawczyk - kl. 1d
Mikołaj Sadek - kl. 1d

Uczniowie napisali pracę na temat:
Rozpraszanie fotonów na elektronach - zjawisko Comptona. Jaką rolę odegrało w rozwoju fizyki?

Poniżej przedstawiamy główne zagadnienia naszej prezentacji


Aby zrozumieć zjawisko Comptona niezbędne jest wprowadzenie kilku terminów z zakresu fizyki kwantowej i optyki. Są to: foton - cząstka elementarna, nie posiada ładunku elektrycznego ani masy spoczynkowej, przenosi oddziaływania elektromagnetyczne, postrzegany jako fala elektromagnetyczna. Kwant - najmniejsza ilość o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu. Natura światła - istnieją 3 teorie opisujące ją: korpuskularna - opisuje światło jako strumień cząstek(fotonów), falowa - światło to fala oraz probabilistyczna - opiera się na prawach prawdopodobieństwa. Warto też porównać rozpraszanie Comptona ze zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym, w którym również foton uderza w elektron, jednak jest to elektron związany - foton przekazuje mu całą energię i znika. W zjawisku Comptona foton przekazuje jedynie część energii elektronowi.



Doświadczenie Comptona miało potwierdzić teorię Einsteina, że gdy światło oddziałuje z materią należy traktować to jak zderzenie sprężyste dwóch cząstek.





W zderzeniu takim zachowane są pęd:

oraz energia:

Podnosząc wszystkie wzory do kwadratu, oraz dodając stronami układ równań z zasady zachowania pędu otrzymamy dwa równania:

Przekształcamy je tak, by po lewej stronie otrzymać to samo wyrażenie:

Wynika z tego, że:

Skracamy je korzystając ze związku relatywistycznego:

i otrzymujemy:

Po podzieleniu równania obustronnie przez 2h*m0c*vv' otrzymujemy:


Ze wzoru na długość fali elektromagnetycznej wiemy, że:

A więc:

Compton wprowadził własne oznaczenie:
nazwane "comptonowską długością fali".

Ostatecznie wzór na zmianę długości fali wygląda tak:






DOŚWIADCZENIE


Podczas pisania tej pracy nasze zainteresowanie zjawiskiem Comptona znacznie wzrosło, co zrodziło w nas chęć zetknięcia się z tym zjawiskiem nie tylko na polu teoretycznym, ale także rozbudziło w nas zmysł praktyczny, który pchnął nas ku temu przedsięwzięciu. Dzięki życzliwości pracowników Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach nasz plan został zrealizowany. Jak się przekonaliśmy, bycie fizykiem prowadzącym doświadczenia, wcale nie należy do łatwych zajęć… Pomimo wielu przeszkód, eksperyment został zrealizowany pomyślnie.

Aparatura:

• Scyntylatory:
- NaI (jodek sodu)
- półprzewodnikowy (germanowy)
- z tworzyw sztucznych
• Generator wysokiego napięcia
• Szczypce laboratoryjne
• Pierwiastki promieniotwórcze (źródła):
- Kobalt 60 (Co-60)
- Cez 137 (Cs-137)
• Komputer i odpowiednie DOS-owe oprogramowanie
• Ciekły azot
• Fotopowielacz
• Detektor scyntylacyjny (plastik, kryształ)


Czynności:
Na detektor scyntylacyjny kładziemy źródło, jakim były: Co-60 oraz Cs-137. Zanim dostarczymy im energii badamy tło. Po podłączeniu generatora wysokiego napięcia obserwujemy na ekranie komputera tworzące się widmo danego pierwiastka. Mierzymy rozkład widma na detektorze scyntylacyjnym.

Obserwacje:
W detektorze scyntylacyjnym znajduje się fotopowielacz, który zmienia foton w impuls elektryczny. Obserwujemy zachodzenie zjawiska fotoelektrycznego oraz zjawiska Comptona; widoczne były piki – linie widmowe (obserwujemy energię).

Wniosek:
Promieniowanie γ oddziałuje z materią na różne sposoby. Widmo promieniowania γ pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, czyli obserwujemy oddzielne linie widmowe. Promieniująca substancja może zostać zidentyfikowana dzięki tym liniom, które odpowiadają ich energii.

Poniższy wykres ilustruje linie widmowe izotopu Co-60



Eksperyment potwierdzający pierwsze pomiary A. Comptona również nie został wykonany ze względu na brak czasu, gdyż potrzebna do wykonania tego eksperymentu aparatura byłaby zbyt szybko złożona, aby uzyskać miarodajny efekt. Problemy były także ze źródłem, które musiałoby być bardzo silne, ze względu na kolimację wiązki oraz chwilowy brak dostępu do spektrometru.Jednakże nie tracimy nadziei i sądzimy, że w niedalekiej przyszłości uda nam się to doświadczenie przeprowadzić :)


Oto kilka dowodów, które świadczą o tym, że osobiście przeprowadziliśmy to doświadczenie :)





Detektory scyntylacyjne


Ustalanie napięcia dla Co-60