빛 알갱이의 운동량 (콤프턴 산란)
Compton scattering (photon momentum)
빛 알갱이가 전자를 당구공처럼 «툭» 칠 수 있다면, 친 뒤 빛에는 무슨 일이 생길까요?
무슨 일이 일어났나
콤프턴 산란은 X 선 빛 알갱이가 전자에 부딪혀 튕겨 나오면서 파장이 길어지는 일로, 빛 알갱이가 운동량을 가진 알갱이처럼 부딪힌다는 증거입니다.
APS 에 따르면 콤프턴은 1918 년 X 선 산란 연구를 시작했고, 흩어진 X 선의 파장이 들어온 X 선보다 길며 그 차이가 흩어진 각이 클수록 커진다는 것을 보았습니다.
그는 1923 년 Physical Review 논문(21 권 483 쪽) 요약에서 복사 양자가 에너지와 함께 운동량도 나른다고 밝혔습니다.
늘어나는 파장은 Δλ = (h/mₑc)(1 − cos θ) 라서, 시뮬레이터에서 90° 이면 전자의 콤프턴 파장 2.43 pm 만큼, 180° 이면 그 두 배인 4.85 pm 만큼 늡니다.
50 pm X 선 알갱이(24.8 keV)가 90° 로 튕길 때 전자는 1.15 keV 의 운동 에너지를 받아 43.6° 방향으로 튀어 나갑니다.
💡 생활 속 예시
- 공항 보안 검색대의 X 선도 가방 속 물질의 전자에 부딪히면 일부가 이렇게 방향과 파장이 바뀌어 흩어집니다.
- 당구장에서 가만히 있는 공을 비스듬히 맞히면 친 공은 느려져 꺾여 나가고 맞은 공이 튀어 나갑니다 — 콤프턴 산란의 빛 알갱이와 전자도 이렇게 운동량을 나눕니다.
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빛은 에너지만 나를 뿐, 무언가를 미는 운동량은 없다.
콤프턴은 1923 년 Physical Review 논문 요약에서 복사 양자가 에너지와 함께 운동량도 나른다고 밝혔습니다. 출처
누가 왜 찾았나
APS 에 따르면 아서 콤프턴은 1918 년 X 선 산란 연구를 시작했고, 세인트루이스의 워싱턴 대학교에서 1922 년 자기 이름이 붙은 효과를 찾았습니다. 그해 12 월 이론을 Physical Review 에 보냈고, 이 발견으로 1927 년 노벨 물리학상을 함께 받았습니다.
확인된 값
- 콤프턴이 X 선 산란 연구를 시작한 해
- 1918 출처
- 콤프턴 효과를 발견한 해 (워싱턴 대학교, 세인트루이스)
- 1922 출처
- 이론을 Physical Review 에 보낸 때
- 1922-12 출처
- 흩어진 X 선의 파장이 들어온 X 선보다 길었다
- longer wavelength 출처
- 파장 차이는 흩어진 각이 클수록 커졌다
- shift grows with angle 출처
- 빛 양자는 에너지와 함께 운동량도 나른다 (1923 논문 요약)
- momentum as well as energy 출처
- 논문이 실린 곳 (Phys. Rev. 21, 483, 1923 년 5 월)
- Phys. Rev. 21, 483 (1923) 출처
- 콤프턴 노벨 물리학상 (공동 수상)
- 1927 출처
- 전자의 콤프턴 파장 h/(mₑc) (CODATA 2022)
- 2.42631023538e-12 m 출처
교육과정에서는
- 한국 2022 · 물리학 · 빛과 물질 [12물리03-03]
- 일본 · 高等学校 物理 (4) 原子
출처
이어서 보기
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