Rozpraszanie Comptona - natura promieniowania elektromagnetycznego

Kiedy w roku 1905 Albert Einstein zaproponował pojęcie kwantu w ramach interpretacji efektu fotoelektrycznego część fizyków nie zaakceptowała takiego rozwiązania. Nawet sam Einstein nie był przekonany co do zasadności swojego pomysłu - owszem, kwant światła (zwany później fotonem) doskonale wyjaśniał zachodzące zjawisko, jednak było to jego zdaniem pojęcie robocze, narzędzie doraźne i prowizoryczne, które w przyszłości miało zostać zastąpione bardziej ogólną teorią. Max Planck, inny nastawiony sceptycznie współtwórca teorii kwantów, rekomendując Einsteina w Pruskiej Akademii Nauk usprawiedliwiał “mijanie się z celem” w kontekście hipotezy kwantów koniecznością podejmowania przez Einsteina i innych fizyków ryzyka w ramach formułowania i wdrażania nowych koncepcji i wyjaśnień. Do kwantów sięgano ostrożnie i z rezerwą - znana jest metafora Einsteina dotycząca nabierania kuflem piwa z beczki, co według fizyka nie mogło przekładać się oczywiście na rozumienie wnętrza beczki jako przestrzeni wypełnionej przez kufle. To, że światło mogło posyłać energię w porcjach nie znaczyło na gruncie teorii promieniowania elektromagnetycznego, iż składało się z kwantów. Dyfrakcja i interferencja sankcjonowała falowy charakter promieniowania świetlnego opartego na opoce w postaci niepodważalnej teorii elektromagnetyzmu Maxwella. Kilka niewyjaśnionych zjawisk rozgrywających się w obszarze cząsteczkowym, nie mogło istotnie wpływać na kwestionowanie obowiązujących teorii. Nawet doświadczalne potwierdzenie hipotezy Einsteina, które miało miejsce dziesięć lat po jej opracowaniu niewiele zmieniło w kwestii rozumienia natury promieniowania świetlnego. Większość fizyków nadal uważała koncepcję kwantu jedynie za model matematyczny. Tymczasem doświadczenie Comptona dało cząstce promieniowania elektromagnetycznego prawo do bycia rzeczywistym.

Doświadczenie Comptona

W swoim doświadczeniu przeprowadzonym w roku 1923 Arthur Compton poddał działaniu promieni rentgenowskich słabo związane elektrony w atomach próbki grafitowej. Promienie X odkryte przez Wilhelma Roentgena w 1895 roku dzięki badaniom Maxa von Laue z roku 1912 okazały się falami elektromagnetycznymi o wysokiej częstotliwości. Pokazując, że promienie X, będące częścią widma elektromagnetycznego, zachowują się jak cząstki, Compton nadał realności korpuskularnemu charakterowi wszystkich zakresów widma, także światła widzialnego.

W przeprowadzonym eksperymencie promieniowanie kierowane było na elektron, który pod jego wpływem odbijał się, a samo promieniowanie (światło) ulegało rozproszeniu. Zgodnie z otrzymanymi wynikami promienie rozpraszały się pod określonym kątem powodując spadek częstotliwości oraz wzrost długość fali rozproszonej (tzw. przesunięcie Comptona rosnące wraz z kąta rozproszenia). Oba parametry skorelowane były z kierunkiem odbicia elektronu i jego energią kinetyczną, w taki sposób jakby energia i pęd promieniowania koncentrowały się w pojedynczym kwancie. Zaobserwowanego przesunięcia (pojawienia się fali rozproszonej o zmienionej długości) nie można było wytłumaczyć na gruncie teorii falowej. Początkowo Compton usiłował opisać zależności efektem Dopplera. Otrzymane empirycznie wyniki nie pasowały jednak do wyliczeń. Dopiero przyjęcie hipotezy traktującej promienie jako strumień kwantów (fotonów) o określonej energii pozwoliło Comptonowi uzyskać sensowne wyjaśnienie rezultatów wykonanych pomiarów. I tak w efekcie zderzenia fotonów z elektronami grafitowej próbki zmianom ulega kierunek poruszania się fotonu oraz jego energia (część energii fotonu przejmuje elektron). Ubytek energetyczny na gruncie kwantowym oznacza zmianę częstotliwości i długości fali. Rozproszenie zaobserwowane przez Comptona okazało się pierwszym ze zjawisk potwierdzających nieciągły charakter promieniowania elektromagnetycznego. Kolizja cząstek elektronów z kwantami promieniowania stała się rzeczywistością, której nie dało się już dłużej zaprzeczać. Zjawisko do dziś stanowi jeden z najważniejszych dowodów wskazujących na korpuskularną naturę promieniowania elektromagnetycznego.

Potwierdzenia korpuskularnej natury promieniowania

Ciekawostką jest, iż w publikacji wyników swoich badań Compton nie odwołuje się do pracy Einsteina dotyczącej efektu fotoelektrycznego. Istnieją przesłanki (negatywne odniesienia do prac badawczych Einsteina), które wskazują na autonomiczny charakter poczynionych obserwacji, a w szczególności nieznajomość efektów analizy swego nieco starszego kolegi. Paradoksalnie jednak doświadczenie Comptona uznane zostało przez świat fizyków jako potwierdzenie hipotezy Einsteina dotyczącej istnienia kwantów światła.

Pomiędzy 1905 a 1923 rokiem fizycy mogli debatować nad zasadnością kwantowej interpretacji fal elektromagnetycznych. Wyniki doświadczenia przeprowadzonego przez Comptona nie pozostawiały już jednak naukowcom swobody w odniesieniu do korpuskularnego charakteru promieniowania elektromagnetycznego. Kwanty światła musiały zostać zaakceptowane. Wbrew pozorom jednak problemy fizyków nie zostały rozwiązane. Oba podejścia - falowe i korpuskularne - musiały być stosowane równolegle, w zależności od okoliczności. Promieniowanie elektromagnetyczne w pewnych sytuacjach tworzyło wzory interferencyjne zachowując się jak określonej częstotliwości fala, w innych zaś, oddziaływało z cząsteczkami, będąc energetycznym kwantem. Fizycy musieli jednak przywyknąć do proponowanego przez naturę dualizmu, zaakceptować ów schizofreniczny obraz świata.