[012] 콤프턴 효과 - The Compton Effect

[012] 

지금까지 다룬 현대물리 이론들을 시간순으로 되짚어보면,

1900년 흑체복사에 대한 플랑크의 양자개념 도입, 그 즈음 광전효과 연구

1905년 아인슈타인 특수상대론

1919년 아인슈타인 일반상대론

1921년 광전효과와 빛의 입자성에 관한 논문으로 아인슈타인 노벨상 수상

 

1923년 Arthur Holly Compton 과 Peter Debye 는 광자의 운동량에 대한 아인슈타인의 개념에 대한 연구를 각자 진행하고 있었다.

광자의 운동량에 대한 아인슈타인의 개념 : 광자의 운동량 p=E/c=hf/c 의 값을 갖는다.

 

 

[012-01] 콤프턴 효과 - The Compton Effect

1922년 이전까지 콤프턴의 팀은 전자에 의한 x선 산란 (scattering) 이 고전적인 빛의 파동이론으로는 설명 할 수 없음을 계속 확인하고 있었다.

파동으로 설명이 안된다. 이게 무슨말이냐면,

물을 받은 욕조에 오리 장난감이 하나 띄워져 있는 상황을 생각해보자. 물이 잔잔하면 장난감도 그냥 떠 있을텐데, 한쪽에서 물 표면을 톡톡 건드리면서 파동을 만들면, 수면이 올라갔다 내려갔다 하면서 퍼져 나가게 될거다.

이 파동이 장난감을 만나면 장난감도 위 아래로 흔들릴텐데, 장난감의 움직임에 관계 없이 물결파는 진행해오던 방향으로 계속 진행하게 된다. 물론 장난감을 지나면서 물결파의 진폭이나 주파수 같은 파동의 특징은 약간 변할테지만.

만약 x선 (빛) 이 파동이라면, x선이 진행하면서 입자인 전자를 만나도 장난감을 만난 물결파와 같이, 파동적인 특성은 약간 변할테지만 진행해 오던 방향으로 계속 진행할테고, x선을 만난 전자는 약간 진동을 하는, 그런 현상이 발생해야 할텐데, 실험해보니 이게 아니더라는 것.

콤프턴의 팀은 이 현상을 광자를 파동이 아닌 에너지와 운동량을 갖는 점과 같은 입자로 취급하여, 충돌하는 광자-전자의 에너지와 운동량은 보존될것이라는 가정으로 설명했는데, 파동으로 알고있던 "무언가 (x선)"에 입자개념을 도입한 것으로 이 산란 현상을 콤프턴 효과 라고 부른다.

위 그림은 콤프턴 효과의 양자모형으로, x선과 전자가 당구공의 충돌처럼 표현되며, 그림에서 알 수 있듯 파동으로 알고있던 x선이 전자와의 충돌 후 진행방향이 완전히 바뀌는 현상이 발생한다.

 

 

[012-02] 실험결과

 

콤프턴은 위와 같은 장치를 이용해 실험했으며, 전자와 x선의 에너지와 운동량이 보존된다는 가정에서 다음의 결과를 얻는다.

이 식을 Compton shift equation 이라고 하며, 산란된 x선의 파장이 광원에서 발생한 x선의 파장과 산란각으로 표현됨을 알 수 있다.

콤프턴 효과는 많은 물리학자들에게 양자이론의 근본적인 타당성을 납득시킨 최초의 실험 이었다.

 

※ 혹시 누군가 요청한다면 Compton shift equation 의 유도 과정도 정리해보겠음.

 

 

[참고문헌]

주 교재 : Physics for Scientists and Engineers, 9th Edition, Serway/Jewett