物理理科電磁気学・光学・天文学

光の粒子としての性質を明らかにした「コンプトン効果」について元理系大学教員が解説

よぉ、桜木建二だ。今回はコンプトン効果について解説していくぞ。コンプトン効果は光やそのX線が何らかの物体によって散乱されると、その中に元の波長よりも長いものが混じる現象だ。

今回はコンプトン効果に詳しいライター、ひいらぎさんと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/eastflower

10年以上にわたり素粒子の世界に携わり続けている理系ライター。中でもニュートリノに強い興味を持っており、その不思議な性質を日夜追いかけている。今回は光が粒子性を示すために起きる現象、コンプトン効果についてまとめた。

コンプトン効果とは?

image by PIXTA / 4719628

コンプトン効果は、物質にX線を照射すると、散乱されたX線の中に入射したX線と同じ波長を持つものの他に、より長い波長のX線が含まれる現象のことです。この現象は1923年、アメリカの物理学者アーサー・コンプトンによってその原因が解明されました。その成果により、コンプトンはのちにノーベル物理学賞を受賞しています。

コンプトンが行なった実験

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By Ito Sho 1123投稿者自身による作品, CC 表示-継承 4.0, Link

X線の発見当時から、金属などの結晶にX線を当てると、出てきたX線の中に元の波長とは異なるものが混じる現象は知られていました。しかし、なぜそのようなことが起きるのか、当時の物理学の理論ではこれをうまく説明することができてませんでした。

そこでコンプトンは、色々な種類の結晶にX線を照射して、その結果として出てくるX線(二次X線と呼びます)の波長変化を詳しく調べていきました。

ちなみに、X線というのは波長が0.001~10nmの電磁波の一種です。電磁波にはその波長によってX線やガンマ線、紫外線、可視光、電波というように名前がついており、光をより一般化したものになります。

コンプトンは上の図に示したように、モリブデン(Mo)を陰極に使ったX線管からX線を散乱体に照射し、散乱されて出てきたX線を分光、その波長を測定しました。ここで分光というのは、様々な波長の入り混じった光をプリズムのような道具を用いて、それぞれの波長成分に分けることです。コンプトンは散乱体として、石墨(グラファイト、炭素のことを指します)や銅、銀といった金属などを利用しました。その結果、次のようなことが判明します。

・二次X線の波長のズレは、散乱する角度に依存して、散乱体の物質が何であるかには関係ない

・散乱体の原子番号が大きくなると、波長の変化がなかった二次X線の強度は増し、波長が変化した二次X線についてはその強度が減少する。

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物質の種類に関係なくX線の波長は変化することがわかったが、このコンプトンの実験で得られた結果は、どのように解釈すればいいのだろうか。数式などを使って具体的に見ていこう。

コンプトンの実験から得られた結果を解釈すると?

image by iStockphoto

コンプトンの実験結果は、当時の物理学では説明することができません。当時の物理学に従うと、光(X線)は波として存在しているので、その波が電子にぶつかり、その結果振動する電子は同じ周波数を持った波を放射すると考えられます。そのため、別の周波数のX線は出てきません。

そこでコンプトンは、X線が「粒子」として電子に衝突するのではないか、と考えました。すると、X線の持つエネルギーの一部が電子に渡されることで、X線の周波数は変化することになります。実際に運動量保存の法則とエネルギー保存の法則を用いて計算を行うと、散乱前後での波長差は次のような式で表現されるのです。

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