ما هي طبيعة جسيمات الإشعاع الكهرومغناطيس؟
في أوائل عشرينيات القرن العشرين، لعبت الدراسات التجريبية لتشتت الأشعة السينية من المواد الصلبة دورًا رئيسيًا في تحديد طبيعة الجسيمات للإشعاع الكهرومغناطيسي وفي عام 1905، حيث اقترح الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين أن الإشعاع الكهرومغناطيسي مجزء، ويتكون من كميات (تسمى فيما بعد الفوتونات) لكل منها طاقة hf.
حيث h هو ثابت بلانك(حوالي 6.6 × 10−34 جول∙ثانية) و f هو تردد الإشعاع، كانت فرضية أينشتاين مدعومة بقوة في الدراسات اللاحقة للتأثير الكهروضوئي ونجاحات نموذج الفيزيائي الدنماركي نيلز بور من ذرة الهيدروجين وانبعاثاتها المميزة وامتصاصها،(ثابت بلانك هو ثابت مادي سمي باسم ماكس بلانك).
عندما نتحدث عن الإشعاع الكهرومغناطيسي كجسيم نشير إلى الفوتونات، وهي عبارة عن حزم من الطاقة وترتبط طاقة الفوتون بطول موجة الإشعاع الكهرومغناطيسي حيث تسرّع الشحنات الموجات الكهرومغناطيسية.
كما أن المجال الكهربائي المتغير يقوم بتوليد مجالًا مغناطيسيًا، في حين أن المجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا، هذا هو المبدأ الكامن وراء انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، لأن الموجات الكهرومغناطيسية على عكس الموجات الصوتية لا تحتاج إلى وسيلة للتنقل.
وتنتشر موجات الكهرومغناطيسية عندما ينتج مجال كهربائي يتأرجح في مستوى واحد ومجالًا مغناطيسيًا يتأرجح في مستوى بزاوية قائمة إليه، مما ينتج مجالًا كهربائيًا متذبذبًا وما إلى ذلك، ويمكن وصف إنتشار الموجات الكهرومغناطيسية بالحث المتبادل.
جاء التحقق الإضافي في عام 1922 عندما عالج الفيزيائي الأمريكي آرثر كومبتون بنجاح تشتت الأشعة السينية من الذرات في مجموعة صلبة كمجموعة من التصادمات بين فوتونات الأشعة السينية والإلكترونات الخارجية المرتبطة بشكل فضفاض.
من خلال تكييف العلاقة بين الزخم والطاقة لموجة كهرومغناطيسية كلاسيكية لفوتون فردي، استخدم كومبتون الحفاظ على الطاقة والحفاظ على حجج الزخم لإشتقاق تعبير لتحول الطول الموجي للأشعة السينية المتناثرة كدالة لزاويتها المتناثرة( في ما يسمى بتأثير كومبتون).
ينقل الفوتون المتصادم بعض طاقته وزخمه إلى إلكترون يتراجع وبالتالي يجب أن يكون للفوتون المبعثر طاقة وزخم أقل من الفوتون الوارد، مما يؤدي إلى توليد أشعة سينية متفرقة ذات تردد أقل قليلاً وطول موجة أطول.
قدمت قياسات كومبتون الدقيقة لهذا التأثير الصغير، إلى جانب علاجه النظري الناجح (المستمد بشكل مستقل من قبل العالم الهولندي بيتر ديباي) دليلاً مقنعًا على وجود الفوتونات.
النطاق التقريبي لطول الموجة لجزء الأشعة السينية من الطيف الكهرومغناطيسي، 10−8 to 10−12 الى 12 متر، يتوافق مع مجموعة من طاقات الفوتون من حوالي 100 eV (إلكترون فولت) إلى 1 MeV (مليون إلكترون فولت).
