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컴프턴 산란 📂양자역학

컴프턴 산란

공식

λ\lambda를 입사하는 빛의 파장, λ\lambda^{\prime}을 산란된 광자의 파장이라고 하자. 그러면 아래의 식이 성립한다.

λλ=hmec(1cosθ) \lambda^{\prime} -\lambda = \frac{h}{m_{e}c}(1-\cos\theta)

이때 hh는 플랑크 상수, mem_{e}는 전자의 질량, cc는 빛의 속도, θ\theta는 산란각이다. 에너지에 대해서 나타내면

cosθ=1mec2(EE)EE \cos \theta=1-\frac{m_{e}c^{2}(E-E^{\prime})}{E^{\prime}E}

설명

컴프턴 산란1은 X선이 전자와 만났을 때 X선과 전자가 튕겨져 나가는 현상을 말한다. 이때 산란된 X선은 파장이 길어지는데 에너지의 관점으로 말하자면 에너지가 줄어드는 것이다. 이는 X선 즉, 빛이 입자의 성질을 지니고 있다는 증거가 된다.

λλ=hmec(1cosθ)>0 \lambda ^{\prime}-\lambda=\dfrac{h}{m_{e} c}(1-\cos\theta) > 0이므로 충돌 후 빛의 파장이 더 길어진다. 이는 실험 결과와 잘 들어맞고 빛이 입자의 성질을 지님을 뒷받침해준다.

유도

전략: 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 사용하여 결과를 이끌어낸다.

pγ\mathbf{p}_\gamma는 충돌 전 광자의 운동량, pe\mathbf{p}_{e}는 충돌 전 전자의 운동량, pγ\mathbf{p}_\gamma^{\prime}은 충돌 후 광자의 운동량, pe\mathbf{p}_{e}^{\prime}은 충돌 후 전자의 운동량이라고 하자.5F4F54FA2.png

Part 1. 운동량 보존 법칙

pγ+pe=pγ+pe \mathbf{p}_{\gamma}+\mathbf{p}_{e}=\mathbf{p}_{\gamma}^{\prime}+\mathbf{p}_{e}^{\prime}

충돌 후의 전자에 대해서는 정보가 없으므로 pe\mathbf{p}_{e}^{\prime}에 대해서 정리하자.

pγ+pepγ=pe \mathbf{p}_{\gamma}+\mathbf{p}_{e}-\mathbf{p}_{\gamma}^{\prime}=\mathbf{p}_{e}^{\prime}

충돌 전 전자는 정지상태 이므로 pe=0\mathbf{p}_{e}=0이다.

(pγpγ)2=(pe)2    (pγ)2+(pγ)22pγpγ=(pe)2 \begin{align*} &&(\mathbf{p}_{\gamma}-\mathbf{p}_{\gamma}^{\prime})^2&=(\mathbf{p}_{e}^{\prime})^2 \\ \implies &&(p_\gamma)^2 +(p_\gamma^{\prime})^2-2 \mathbf{p}_{\gamma} \cdot \mathbf{p}_{\gamma}^{\prime} &=(p_{e}^{\prime})^2 \end{align*}

광자의 정지질량은 00이므로 pγ=Ec=hνc p_\gamma=\dfrac{E}{c}=\dfrac{h\nu}{c}이고 이를 대입하면

h2ν2c2+h2ν2c22h2ννc2cosθ=(pe)2(1) \frac{h^2\nu^2}{c^2}+\frac{h^2{\nu^{\prime}}^{2}}{c^2}-\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2}\cos\theta=(p_{e}^{\prime})^2\tag{1}

Part 2. 에너지 보존 법칙

이제 EγE_\gamma는 충돌 전 광자의 에너지, EγE_{\gamma}^{\prime}은 충돌 후 광자의 에너지, EeE_{e}는 충돌 전 전자의 에너지, EeE_{e}^{\prime}은 충돌 후 전자의 에너지라고 하자. 그러면

Eγ+Ee=Eγ+Ee    Ee=Eγ+EeEγ    (Ee)2=(Eγ+EeEγ)2    (Ee)2=(Eγ)2+(Ee)2+(Eγ)2+2EγEe2EγEγ2EeEγ \begin{align*} && E_{\gamma}^{\prime}+E_{e}^{\prime} &= E_\gamma+E_{e} \\ \implies && E_{e}^{\prime} &= E_\gamma+E_{e}-E_{\gamma}^{\prime} \\ \implies && (E_{e}^{\prime})^2 &= (E_\gamma+E_{e}-E_{\gamma}^{\prime})^2 \\ \implies && (E_{e}^{\prime})^2 &= (E_\gamma)^2+(E_{e})^2+(E_{\gamma}^{\prime})^2+2E_\gamma E_{e}-2E_\gamma E_{\gamma}^{\prime}-2E_{e}E_{\gamma}^{\prime} \end{align*} 광자의 에너지는 E=hνE=h\nu이고 상대론적 에너지는 E=(mc2)2+p2c2 E=\sqrt{(mc^2)^2+p^2c^2}이므로 h2ν2+me2c4+h2ν2+2hνmec22h2νν2mec2hν=mec4+(pe)2c2 h^2\nu^2+m_{e}^2c^4+h^2{\nu^{\prime}}^{2}+2h\nu m_{e}c^2-2h^2\nu\nu^{\prime}-2m_{e}c^2h\nu^{\prime}=m_{e}c^4+(p_{e}^{\prime})^2c^2 (pe)2(p_{e}^{\prime})^2에 대해서 정리하면 h2ν2c2+h2ν2c2+2meh(νν)2h2ννc2=(pe)2(2) \frac{h^2\nu^2}{c^2} +\frac{h^2{\nu^{\prime}}^{2}}{c^2} +2m_{e} h(\nu-\nu^{\prime}) -\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2}=(p_{e}^{\prime})^2 \tag{2}

Part 3. (1)(1)(2)(2)에 의해서

h2ν2c2+h2ν2c22h2ννc2cosθ= h2ν2c2+h2ν2c2+2meh(νν)2h2ννc2    2h2ννc2cosθ=2meh(νν)2h2ννc2    2meh(νν)= 2h2ννc2(1cosθ)    (νν)= hmeννc2(1cosθ) \begin{align*} && \frac{h^2\nu^2}{c^2}+\frac{h^2{\nu^{\prime}}^{2}}{c^2}-\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2}\cos\theta&=\ \frac{h^2\nu^2}{c^2} +\frac{h^2{\nu^{\prime}}^{2}}{c^2} +2m_{e} h(\nu-\nu^{\prime}) -\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2} \\ \implies && -\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2}\cos\theta& =2m_{e} h(\nu-\nu^{\prime}) -\frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2} \\ \implies && 2m_{e} h(\nu-\nu^{\prime})&=\ \frac{2h^2\nu\nu^{\prime}}{c^2}(1-\cos\theta) \\ \implies && (\nu-\nu^{\prime})&=\ \frac{h}{m_{e}}\frac{\nu\nu^{\prime}}{c^2}(1-\cos\theta) \end{align*}

양변에 νν\nu\nu^{\prime}을 나눠주고 c를 곱하면

cνcν=hme1c(1cosθ) \frac{c}{\nu^{\prime}}-\frac{c}{\nu}=\frac{h}{m_{e}}\frac{1}{c}(1-\cos\theta)

λ=cν\displaystyle \lambda=\frac{c}{\nu}이므로

λλ=hmec(1cosθ) \lambda ^{\prime}-\lambda=\frac{h}{m_{e} c}(1-\cos\theta)

E=hν=hcλE=h\nu=\dfrac{ hc }{ \lambda }이므로 위 식을 잘 정리하면

cosθ=1mec2(EE)EE \cos \theta=1-\frac{m_{e}c^{2}(E-E^{\prime})}{E^{\prime}E}


  1. 컴프턴 효과(Compton Effect)라고도 한다. ↩︎