Effetto Compton

L'effetto Compton è un importante fenomeno fisico che, nel 1927, è valso ad Arthur Compton il premio Nobel per la fisica. Ma di cosa si tratta? Qual è la sua importanza in fisica? Qual è l'esperimento che ha permesso di osservarlo? Questo e molto altro in questo articolo!

Effetto Compton: in breve

Fig. 1 - Arthur Compton nel 1927.

Prima di immergenci in una spiegazione più complessa e completa dell'effetto Compton, cerchiamo di capire di cosa si tratta in breve e con parole semplici.

L'effetto Compton, osservato nel 1922 da Arthur Compton è un effetto che dimostra l'interazione tra un fotone e un elettrone. In particolare l'effetto Compton è uno dei risultati più importanti a favore della fisica quantistica, infatti dimostra che in alcune situazioni, la luce si comporta come fotoni.

L'esperimento che per la prima volta ha permesso di osservare l'effetto Compton è molto semplice: un raggio di fasci di luce monocromatica (ovvero di una sola lunghezza d'onda molto specifica), viene fatto incidere su un elettrone. Quello che si osserva è un fenomeno per cui parte dell'energia del fotone viene ceduta all'elettrone ed entrambi vengono deviati. In particolare si vede che la lunghezza d'onda del fotone deviato è proporzionale all'angolo di cui viene deflesso.

Effetto Compton: spiegazione

Ora che abbiamo visto una spiegazione sommaria dell'effetto Compton, cerchiamo di approfondire, per quanto possibile, questo fenomeno con le nostre conoscenze di fisica quantistica. È infatti importante capire che questo fenomeno non può essere spiegato con la teoria classica e con la teoria oscillatoria della luce. Infatti, se la luce fosse un fenomeno puramente ondulatorio, il risultato che si osserverebbe sarebbe al più un'oscillazione dell'elettrone con la stessa frequenza della luce e la luce stessa non cambierebbe frequenza.

Parte dell'importanza dell'esperimento è proprio il fatto che, dopo l'urto, il fascio di luce incidente, viene riemesso con una lunghezza d'onda diversa da quella iniziale. È proprio come una particella che, durante un urto, perde parte della sua energia.

Fig. 2 - Diagramma semplificato dell'effetto Compton, la linea ondulata rappresenta il fotone, inizialmente di lunghezza d'onda \(\lambda\) e dopo l'urto di lunghezza d'onda \(\lambda'\), in rosso è raffigurato l'elettrone e la sua traiettoria dopo l'urto. Il fotone, dopo l'urto viene deviato di un angolo \(\theta\).

Ma perché parliamo proprio di perdere energia? Sperimentalmente si verifica che i fotoni deviati hanno una lunghezza d'onda \(\lambda'\) che è maggiore della lunghezza d'onda iniziale \(\lambda\). Come colleghiamo queste due informazioni?

Ricordiamo che l'energia di un fotone è data dalla relazione di Planck:

\[E = h \nu\,,\]

dove \(E\) è l'energia del fotone, \(h\) è la costante di Planck (che vale \(6{,}626 \times 10^{-34}\,\mathrm{J}\: \mathrm{s}\)) e \(\nu\) la frequenza del fotone.

Una prima impressione dovrebbe essere che l'energia dovrebbe aumentare! Bisogna però ricordare che frequenza e lunghezza d'onda sono legate dalla relazione di proporzionalità inversa

\[c = \lambda\:\nu\,,\]

dove \(c\) è la velocità della luce nel vuoto (circa \(3\times 10^8 \, \mathrm{m/s}\)). All'aumentare della lunghezza d'onda, quindi, la frequenza diminuisce, e di conseguenza anche l'energia del fotone.

Parte dell'energia viene ceduta all'elettrone che viene messo in moto nella direzione indicata dalla freccia rossa in figura 2.

Effetto Compton: importanza

La domanda logica, giunti alla fine di questo articolo è, quindi, che applicazioni ha questo effetto? Perché dovrebbe importarci che un fotone, quando urta con un elettrone, perde parte della sua energia e viene deflesso?

L'effetto Compton ha un'importanza fondamentale nella fisica moderna, tanto da aver portato ad Arthur Compton il premio Nobel per la fisica nel 1927, 5 anni dopo la prima osservazione del fenomeno.

È importante soprattutto come ulteriore verifica del dualismo onda particella della luce, dimostrando che la luce si comporta anche come particelle e non solo come onde. In pratica dimostra che la luce, in base al fenomeno osservato, si può comportare in un modo o nell'altro.

Effetto Compton inverso

L'effetto Compton che abbiamo descritto vale quando l'energia del fotone è molto più grande dell'energia dell'elettrone. Tuttavia, esiste anche il cosiddetto effetto Compton inverso, in cui un elettrone molto più energetico del fotone contro cui incide genera un fotone estremamente energetico. Questo fenomeno è importante in campo astrofisico e in astronomia, in cui gli elettroni dei raggi cosmici possono generare fasci di luce di energie elevatissime.