Comptoni hajumine

Kahekümnenda sajandi alguseks oli fotoefekt juba näidanud, et valgus suhtleb ainega diskreetsete energiapakettidena — footonitena —, kuid mõned füüsikud lootsid ikka, et puhtalt klassikaline lainepilt suudab seda lõpuks seletada. Comptoni hajumine sulges selle ukse. Kui röntgenfootonid suunatakse sihtmärgile, mis sisaldab nõrgalt seotud või sisuliselt vabu elektrone, tulevad hajunud röntgenkiired tagasi pikema lainepikkusega kui sissetulev kiir, ja selle lainepikkuse nihke suurus sõltub hajumisnurgast viisil, mida klassikaline lainepilt üldse ei suuda taastoota — klassikaline elektromagnetiline teooria ennustab, et hajunud kiirgus peaks säilitama sama lainepikkuse kui langev laine, ainult suunas ümber jaotununa.

Efekti selgitab puhtalt footoni ja elektroni vahelise osakestaolise kokkupõrkena käsitlemine, kus kumbki kannab nii energiat kui impulssi. Nii energia kui impulsi jäävus selles footon-elektroni "kokkupõrkes" — kasutades footoni impulssi p = h/λ, tuttavat de Broglie seosest, siin vastupidises suunas rakendatuna — ennustab täpselt vaadeldud seost lainepikkuse nihke ja hajumisnurga vahel: footon kaotab osa oma impulsist ja energiast tagasilöögielektronile ja sama p = h/λ seose järgi peab impulssi kaotanud footon lainepikkust suurendama. Mida suurem on hajumisnurk, seda rohkem impulssi kandub üle ja seda suurem on lainepikkuse nihe, kuni maksimumini tagasihajumise juures.

Comptoni hajumine oli koos fotoefektiga otsustav tõend, et valgust tuleb selles režiimis käsitleda diskreetsete, impulssi kandvate footonitena, mitte ainult lainena. See jääb ka tänapäeval oluliseks vastastikmõju mehhanismiks: see on üks peamisi viise, kuidas gammakiired ja röntgenkiired kaotavad energiat läbi aine liikudes, mis on oluline kiirguskaitse, meditsiinilise pildistamise ja kõrge energiaga kiirguse astrofüüsikaliste vaatluste jaoks.