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खनन और खनिज उद्योगों में पर्यावरणीय स्थिरता विषय पर विशेषज्ञों का मंथन

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Compton Effect | Quantum mechanics | Physical basis of quantum mechanics

Compton Effect (Quantum nature of light)

  • Compton effect was discovered by A.H. Compton.
  • When a beam of monochromatic X-rays of wavelength λ is scattered by a light element (carbon), then the scattered X-rays have maximum intensities at two wavelengths, one of them at the same wavelength λ and the other at slightly longer wavelength λ՛. This effect is known as Compton effect.
  • The difference in wavelength (λ - λ՛) is known as Compton shift.

Theory 


  • The energy of incident photon, E1 = hν
  • Momentum of incident photon, p1 = hν/c
  • This photon strikes with an electron at rest.

Before collision

  • Momentum of electron, p2 = 0
  • Energy of electron (rest mass energy), E2 = m0c2

After collision

  • The photon scattered from its original path by giving some of its kinetic energy to the electron and the electron recoils.
  • Energy of scattered photon, E1՛ = hν՛
  • Momentum of scattered photon, p1՛ = hν՛/c
  • The scattered photon move in a direction making an angle θ with the X-axis.
  • The energy of electron, E2՛ = mc2
  • Momentum of electron, p2՛ = mv
  • This electron moves in a direction making an angle ϕ with the X-axis.

From the law of conservation of energy

            E1 + E2 = E1՛ + E2՛

            hν + m0c2 = hν՛ + mc2

            mc2 = h (ν - ν՛) + m0c2

From the law of conservation of momentum 

  • Momentum along X-axis

  • Momentum along Y-axis
  • From relativistic formula
  • This is the change in wavelength of X-rays and is known as Compton shift in the wavelength of X-rays.
  • Here λc is Compton wavelength and its value is given by
  • λc = h / m0c = 0.0242Å

Conclusion

  • Compton shift is independent of the wavelength of the incident radiation and nature of the scattering substance.
  • It depends only on the scattering angle θ.

Special cases


  • It is the maximum value of Compton shift.

Experimental setup


Experimental setup of Compton effect

Relative intensities versus wavelength curve of Compton effect at different angles
  • The excellent agreement between the Compton shift obtained from Compton theory and the experimental results confirms that the elastic collision between a photon and an electron is just like an elastic collision between two particles.
  • The Compton effect proves the quantum theory (particle nature) of radiation.
  • To know more about Compton effect, please click on the link https://youtu.be/hwQaqo6Gwz4 and for bilingual lecture (Hindi/English) https://youtu.be/KNiPYOq274U
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