Arthur
Compton, nel 1922, mise in luce il problema del cambiamento della lunghezza
d'onda di una radiazione monocromatica, ad esempio un fascio di raggi X, in
seguito all'attraversamento di una sottile lamina, per esempio di grafite.
Questa situazione sperimentale andava a scontrarsi con la teoria della fisica
classica secondo la quale ogni volta che una radiazione elettromagnetica interagisce
con una particella carica la radiazione diffusa, qualunque sia la direzone,
deve avere la stessa frequenza (e quindi la stesa lunghezza d'onda) della
radiazione incidente.
Compton, dato che la lunghezza d'onda della radiazione diffusa dalla lamina
risultava essere maggiore di quella della radiazione incidente (e quindi si
era verificata una diminuzione della frequenza), ipotizzò che la parte dell'energia
persa dalla radiazione fosse stata trasmessa agli elettroni più' esterni della
lamina, permettendo ad essi di "sganciarsi" dalla grafite.
Il collegamento con la teoria dei quanti consiste nel fatto che lo sganciamento
degli elettroni atomici richiede un ben determinata quantità di energia (un
multiplo del quanto elementare) e quindi si spiega come il fotone, se ha una
frequenza abbastanza elevata, può "sganciare" l'elettrone e mantenere una
parte dell'energia, inferiore a prima dell'iterazione, che è verificabile
per il fatto che ha una minore lunghezza d'onda.
In particolare, se indichiamo con φ l'angolo di diffusione del fotone dopo l'urto con
l'elettrone e con Δ λla
differenza tra la lunghezza d'onda del fotone prima e dopo l'urto sappiamo
che:
| Dimostrazione Classica | Dimostrazione Relativistica |
dove c è la velocità della luce (circa 300 000 000m/s), h è la costante di Plank (6,626 x 10-34 Js) e m0 è la massa dell'elettrone a riposo (9,108 x 10-31 Kg).
Con questo esperimento si evidenzia che la luce quando interagisce con un elettrone si comporta come un oggetto quantizzato "un fotone" che possiede energia e quantità di moto.
La quantità di moto p= h/λ si conserva durante l'urto e pertanto c'è una quantità di moto scambiata durante l'iterazione elettrone - luce.