Forskere løser puslespil om Compton -spredning:Ny tilgang til test af teorier inden for kvantemekanik

Da den amerikanske fysiker Arthur Compton opdagede, at lysbølger opfører sig som partikler i 1922, og kunne slå elektroner ud af atomer under et slagforsøg, det var en milepæl for kvantemekanik. Fem år senere, Compton modtog Nobelprisen for denne opdagelse. Compton brugte meget kortbølget lys med høj energi til sit eksperiment, hvilket gjorde ham i stand til at negligere elektronens bindingsenergi til atomkernen. Compton antog simpelthen for sine beregninger, at elektronen hvilede frit i rummet.

I de følgende 90 år frem til i dag, adskillige eksperimenter og beregninger er blevet udført med hensyn til Compton -spredning, der løbende afslørede asymmetri og stillede gåder. For eksempel, det blev observeret, at i visse forsøg, energi syntes at gå tabt, når elektronernes og lyspartiklernes (fotons) bevægelsesenergi efter kollisionen blev sammenlignet med fotonernes energi før kollisionen. Da energi ikke bare kan forsvinde, det blev antaget, at i disse tilfælde, i modsætning til Comptons forenklede antagelse, kernens indflydelse på foton-elektron-kollisionen kunne ikke negligeres.

For første gang i et effektforsøg med fotoner, et team af fysikere ledet af professor Reinhard Dörner og doktorand Max Kircher ved Goethe -universitetet i Frankfurt har nu samtidig observeret de udstødte elektroner og kernens bevægelse. For at gøre det, de bestrålede heliumatomer med røntgenstråler fra røntgenkilden PETRA III ved Hamburgs acceleratoranlæg DESY. De opdagede de udstødte elektroner og den ladede resten af ​​atomet (ioner) i et COLTRIMS reaktionsmikroskop, et apparat, som Dörner var med til at udvikle, og som er i stand til at synliggøre ultrahurtige reaktive processer i atomer og molekyler.

Resultaterne var overraskende. Først, forskerne observerede, at energien fra de spredende fotoner naturligvis blev bevaret og delvist blev overført til en bevægelse af kernen (mere præcist:ion). I øvrigt, de observerede også, at en elektron undertiden slås ud af kernen, når energien fra den kolliderende foton faktisk er for lav til at overvinde elektronens bindingsenergi til kernen. Samlet set, elektronen blev kun skubbet ud i den retning, man ville forvente i et billard -effektforsøg i to tredjedele af sagerne. I alle andre tilfælde, elektronen afspejles tilsyneladende af kernen og undertiden endda skubbet ud i den modsatte retning.

Reinhard Dörner:"Dette tillod os at vise, at hele fotonsystemet, udstødt elektron og ion svinger i henhold til kvantemekaniske love. Vores eksperimenter giver derfor en ny tilgang til eksperimentel test af kvantemekaniske teorier om Compton -spredning, som spiller en vigtig rolle, især inden for astrofysik og røntgenfysik. "