Gammastråling, Compton effekt

Hej Spørg om Fysik
Når gammastråling passerer ekstremt tunge kerner, skifter den tilstand, fra elektromagnetisk stråling, til fast stof - og derefter 'tilbage' til stråling. Dette kan påvises på et spektogram, som en 'Compton-ryg' - hvis ellers jeg har forstået det hele korrekt. Denne Compton-ryg, må afvige fra den 'oprindelige' stråling, da den kan påvises.

Spørgsmålet er så: Når nu den 'nye' (gen-dannede) stråling er anderledes, end den 'originale' stråling, er den totale mængde stråling, før og efter omdannelsen fra stråling, til stof, og til stråling igen - konstant, eller opstår der 'ny' stråling, når gammastrålingen gennemgår denne 'forvandling'? - og hvis der opstår 'ny' stråling, hvor kommer energien så fra?

Med venlig hilsen
L B N

Arthur Holly Compton (USA, 1892 - 1962)

Når to billardkugler støder sammen centralt, den bagerste med fart på og den forreste ligger stille, vil efter de rammer hinanden den bagerste komme til at ligge stille, og den forreste fortsætter med samme hastighed, som den bagerste havde.

Dette og det følgende er under ideelle forhold, kuglerne er lige tunge  og vi ser bort fra gnidning og rulning. Rammer de skævt på hinanden vil den ene gå ud til den ene side, den anden til den anden side og begge fremad. Måler man hastigheden på tværs af den oprindelige bevægelsesretning, vil man opdage, at den er i alt nul, dvs. der er ikke opstået hastighed i andre retninger end den oprindelige. Tager man starten hvor den første kugle med massen m₁, har hastigheden v, kalder man størrelsen m₁v for impulsen af den første (bagerste) kugle.  Efter de er stødt sammen fås tilsvarende for de to kugler henholdsvis m₁u₁ og m₂u₂ (u hastigheder efter stødet) og der gælder nu den bevarelsessætning at:

m₁v = m₁u₁ + m₂u₂

hvor u-er regnes med retning. Dette kaldes impulssætningen er det er en konsekvens af Newtons love (Sir Isaac Newton  GB, Gregorianske kalender 4 January 1643  - 31 March 1727, Julianske kalender 25 December 1642 - 20 March 1727, skiftet imellem den gamle Julianske kalender og den nye skete i newtons levetid). Denne sætning gælder uafhængigt af størrelsen af masserne.

Impulssætningen gælder også for vores gammastråle

Det fænomen der omtales i spørgsmålet er et stød imellem en elektron og en gammastråle. Elektronen har en masse og får en hastighed som beskrevet ovenfor. Gammastrålen er den der bevæger sig, det er det man kalder en foton. En foton har impulsen h*ν/c,  hvor h er plancks konstant (h =  6,63 *10^-34 J*s), c er lyshastigheden (c er defineret til c = 2,99792458 *10⁸ m/s) og ν er frekvensen af den elektromagnetiske stråling (gammakvantet). Efter stødet som normalt sker på en elektron, der er bundet til et atom, vil gammakvantet have ændret retning og have tabt energi, dvs. det har en lavere frekvens (E = h*ν) . Samtidigt bliver der stødt en elektron ud fra elektronskyen om atomkernen. Des større vinkel gammakvantet drejes des større ændring i frekvens, størst hvis vinkelændringen er 180 grader dvs. kvantet kommer tilbage i den retning, det kom fra. Compton opdagede denne effekt i 1923 (bliver også kaldt Compton spredning).

Billedet viser en såkaldt Comptonskulder dvs. energifordelingen ved gammastrålingens stød. Taget fra S. Obel. kernefysik

Slutresultatet er altså en gammakvant (gammastråle) med lavere frekvens (større bølgelængde) end før og en elektron, der bliver slået fri fra omegnen af en atomkerne. Gammastrålen kommer normalt ud i en anden retning end den kom ind, og elektronen skal for at give impulsbevarelse komme ud til modsat side end gammastrålen, det hele er i 2 dimensioner.  Muligheden for at denne proces sker, afhænger af hvor centralt gammakvantet er rettet imod atomet og den oprindelige energi af gammakvantet dvs. dets frekvens. 

Impulsen af lyskvanter er baggrunden for de projekter, man ser om at flytte rumfartøjer med "solsejl" ude i rummet. Det drejer sig om tynde plastfolier på mange kvadratkilometer, som flytter et rumfartøj væk fra solen. Da lystrykket er ganske lille set med vores normale størrelsesordener, kræves der meget store sejl, for at det skal blive til noget. Drivkraften er altså lystrykket, som kommer når lyset reflekteres fra folien og afleverer sin impuls ved stødet (det dobbelte hvis kvanten reflekteres). 

Med venlig hilsen
Malte Olsen