Compton Olayı ve De Broglie Dalga Boyu
Compton Olayı
Compton saçılması olayında, yüksek enerjili bir X ışını fotonu, bir karbon atomunun durgun elektronuna çarparak, elektronu şekildeki gibi bir doğrultuda fırlatırken kendisi de başka bir doğrultuda saçılır.
Compton olayı, fotoelektrik olay gibi ışığın tanecikli yapıda olduğunu gösteren bir deneydir. Bu olayın sonucunda fotonların da bir momentumunun olduğu ortaya konulmuştur.
Compton Olayında;
- Gelen foton, saçılan foton ve elektron aynı düzlemdedir.
- Çarpışma esnek çarpışmadır.
- Foton çarpışma sonucunda soğrulmaz.
- Saçılma sonucunda fotonun sürati değişmez.
- Çarpışma esnek çarpışma olduğundan kinetik enerji korunur.
\[E_{\text{gelen foton}} = E_{\text{saçılan foton}} + E_{\text{elektron}} \]
- Gelen fotonun enerjisinin birazı elektrona, birazı da saçılan fotona aktarıldığından, \(f_{gelen} > f_{sacilan}\) ve \(\lambda_{gelen} < \lambda_{sacilan}\) olur.
- Bu olayda momentum korunur. Gelen fotonun momentumu saçılan fotonun momentumundan büyüktür.
\[\vec{P}_{\text{gelen foton}} = \vec{P}_{\text{saçılan foton}} + \vec{P}_{\text{elektron}} \]
Compton Olayı ve Fotoelektrik Olayının Benzer ve Farklı Yönleri
Compton olayı, yüksek enerjili ışık fotonlarının atomdaki serbest elektronlara çarparak saçılmasıyla gerçekleşir.
- Bu nedenle Compton olayı, yüksek frekanslı X ışınları altında daha kolay gözlenirken, daha düşük frekanslı kızıl ötesi ışık altında zor gözlenir.
- Fotoelektrik olay ise düşük enerjili fotonların metal üzerine düşerek metalden elektron sökmesi esasına dayanır.
Compton olayında foton soğrulmazken, fotoelektrik olayda foton soğrulur.
Compton olayında tanecikler arasındaki etkileşimin yanı sıra esnek çarpışma gerçekleşir.
- Bu nedenle Compton olayı, fotoelektrik olaya göre, ışığın tanecik özelliği hakkında daha kesin deliller sunmaktadır.
Işığın Doğası
Işığın yapısı hakkında iki teori üzerinde durulmaktadır. Bunlar tanecik ve dalga teorileridir.
- Tanecik teorisini destekleyen ilk bilim insanı Newton'dır. Newton'a göre ışık, ışık kaynaklarından çıkan sonsuz küçük taneciklerden oluşur ve doğrusal olarak hareket eder.
- Işığın dalga özelliği gösterdiği fikrini ilk ileri süren Huygens'tir. Huygens, ışık kaynaklarının çok yüksek titreşimler meydana getirdiğini, bu titreşimlerin saydam ortamlarda dalgalar halinde yayıldığını ileri sürmüştür.
- Grimaldi, ışığın tek yarıktan geçtikten sonra (kırınım olayı) girişim saçakları oluşturduğunu göstermiştir.
- Young, çift yarıkta ışığın girişim yaptığını göstermiştir.
- Maxwell, dalga modeline destek vermiş ve ışığı elektrik ve manyetik alanların titreşiminden oluşan bir elektromanyetik dalga olarak tanımlamıştır.
- Fotoelektrik olay ve Compton olayı ışığın dalga modelinin açıklamakta yetersiz kaldığı olaylar olmuş ve bu olaylar tanecik modeli ile açıklanabilmiştir.
Tüm bu çalışmalar bize ışığın ikili doğaya sahip olduğunu göstermektedir. Buna göre ışık bazı olaylarda tanecik gibi davranırken bazı olaylarda dalga gibi davranır.
Yalnız tanecik modelinin açıklayabildiği olaylar
- Fotoelektrik olay
- Compton olayı
- Işık basıncı
Yalnız dalga modelinin açıklayabildiği olaylar
- Girişim olayı
- Kırınım olayı
- Ortam değiştiren ışığın aynı anda hem yansıması hem de kırılması
- Polarizasyon (kutuplanma)
- Işığın renklere ayrılması
Tanecik ve dalga modelinin ortak açıklayabildiği olaylar
- Işığın yansıması
- Işık akısı
- Işığın doğrusal yayılması
- Işığın birbiri içinden geçmesi
- Kırılma
- Gölge oluşumu
Madde ve Dalga Arasındaki İlişki (De Broglie Dalga Boyu)
De Broglie, fotonların hem parçacık hem de dalga doğasına sahip oldukları gibi maddenin de bu 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.
Einstein'a göre fotonlar hiçbir sistemde durgun olamaz. Dolayısı ile durgun kütleleri sıfırdır. Bir fotonun momentumu ile enerjisi arasında aşağıdaki ilişki vardır.
\[E = P.c \]
Fotonun enerjisi \(E=h.f\) ile hesaplandığından, üstteki formülde yerine yazıldığında aşağıdaki formüller elde edilir.
\[h.f = P.c \]
\[\frac{h.c}{\lambda} = P.c \]
c'ler sadeleştirildiğinde, kütlesi m, hızı v, momentumu P olan bir parçacığa eşlik eden madde dalgalarının De Broglie dalga boyu \((\lambda)\) bağıntısı türetilir.
\[\lambda = \frac{h}{P} \]
\[\lambda = \frac{h}{m.v} \]
Buna göre, bir parçacığa eşlik eden dalgalara madde dalgaları, bu dalgaların boyuna da De Broglie dalga boyu denir.
Questions
