Der Compton-Effekt ist eine der wichtigen Grundlagen der Quantenphysik bzw. Quantenmechanik und erklärt die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (Photonen) mit freien Elektronen. Prinzipiell gibt es drei Möglichkeiten der Wechselwirkung:
Der Compton Effekt, benannt nach dem Physiker lässt sich mit den Ergebnissen des photoelektrischen Effekts herleiten. Demnach haben Photonen auch eine Energie und einen Impuls. Der darauf aufbauende Compton-Effekt weist nach, dass Photonen nach der Streuung an freien Elektronen eine geringere Frequenz bzw. eine höhere Wellenlänge aufweisen. Mit Hilfe des Compton Effektes lässt sich auch berechnen bzw. nachweisen, dass die Photonen (bevorzugt im Bereich der Röntgenstrahlung) eine bestimmte Energie bzw Impuls an die Elektronen abgegeben.
Der photoelektrische Effekt hat gezeigt, dass das Photon auch als Teilchen betrachtet werden kann und somit eine Energie und einen Impuls hat. Trifft ein Photon auf ein Elektron, so geht ein Teil seiner Energie und seines Impulses auf das Elektron über. Die Energieübertragung bewirkt eine Impulsverkleinerung und damit eine Frequenzverkleinerung.
Im Jahre 1922 untersuchte Arthur Compton die Streuung von hochenergetischer Röntgenstrahlung an Graphit, die Messungen zeigten dabei, dass sich die Wellenlänge der gestreuten Strahlung je nach Streuwinkel wie bei einem elastischen Stoß verhält. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die den Graphit durchdrungen hat, weist eine Streuung auf. Die Wellenlänge der gestreuten Strahlung hängt dabei von der Streurichtung ab.
Der Compton-Effekt beschreibt die Streuung eines Photons an einem freien Elektron. Dabei verliert das Photon an Energie und ändert seine Richtung, was zu einem größeren Wellenlängen-Shift führt.
Der Compton-Effekt wurde von dem amerikanischen Physiker Arthur Holly Compton im Jahr 1923 entdeckt.
Durch die Streuung im Compton-Effekt nimmt die Wellenlänge des gestreuten Photons zu. Diese Zunahme wird als Compton-Verschiebung bezeichnet.
Die Compton-Verschiebung ist die Zunahme der Wellenlänge eines Photons nach der Compton-Streuung. Diese Zunahme hängt vom Streuwinkel ab.
Der Compton-Effekt hat das Verständnis der Quantenmechanik signifikant geprägt, indem er das Teilchenmodell des Lichts unterstützt. Es lieferte den Beweis dafür, dass Licht einen Teilchenaspekt besitzt, zusätzlich zu seiner Wellennatur.
Die Compton-Verschiebung ist proportional zum Streuwinkel. Bei einem Streuwinkel von 0 Grad findet keine Verschiebung statt, während bei einem Winkel von 180 Grad das Maximum erreicht wird.
Der Compton-Effekt ist für den Großteil der gestreuten Strahlung in der medical imaging, insbesondere bei der Computertomographie, verantwortlich. Dies führt zu einer verminderten Bildqualität und erhöhten Strahlenbelastung.
Die Compton-Formel ist λ’−λ = (h/(mec))(1−cosϴ), und sie beschreibt, wie die Veränderung der Wellenlänge eines Photons vom Streuwinkel abhängt. Hier sind λ’ und λ die Wellenlängen nach und vor der Streuung, h ist das Plancksche Wirkungsquantum, me ist die Elektronenmasse und c die Lichtgeschwindigkeit.
Der Compton-Effekt illustriert das Prinzip des Welle-Teilchen-Dualismus, welches besagt, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften aufweist. Durch den Compton-Effekt wurde nachgewiesen, dass Photonen – die Teilchen des Lichts – mit Elektronen wie Teilchen kollidieren können.
Arthur Holly Compton erhielt den Nobelpreis für seine Entdeckung der Compton-Streuung, die ein entscheidender Beweis für die Quantentheorie und die Existenz von Licht als Photon war.