COMPTON EFFET

Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (rayons X et γ) interagissent avec la matière selon trois processus : effet photoélectrique ; création de paires électrons-positrons ; enfin, diffusion élastique des photons sur des électrons libres ou peu liés, appelée effet Compton. Celui-ci est dû à l'interaction d'un rayon X ou d'un rayon γ avec un électron. Il s'interprète par la réaction de diffusion élastique d'un photon par l'électron, illustrant ainsi l'aspect corpusculaire de la lumière. Le photon secondaire possède une énergie inférieure à celle du photon primaire, donc une longueur d'onde plus élevée. Ce phénomène simple, découvert par A. H. Compton en 1923, ne fait intervenir que des forces électromagnétiques. La physique quantique a rapidement permis d'en établir une théorie précise que résume la formule de Klein-Nishina. Longtemps les moyens techniques furent insuffisants pour permettre la vérification précise des hypothèses concernant l'effet Compton.

Il a fallu attendre les années 1950-1954 pour que les expériences fournissent des résultats concluants. Certaines expériences furent effectuées avec des électrons non plus au repos mais animés de vitesse relativiste.

Le nom de Compton est aussi associé maintenant à la diffusion élastique des photons sur une particule quelconque ; par exemple, la diffusion Compton à très haute énergie sur des protons. Le processus d'interaction est beaucoup plus complexe. En effet, on sait que le proton n'est pas une particule élémentaire (au contraire de l'électron) puisqu'il est constitué de quarks et de gluons. Cette structure se révèle clairement lorsque le photon est « virtuel », au sens de la théorie quantique des champs qui permet à une particule de fluctuer pendant un bref instant au mépris de certaines règles cinématiques ; le photon devient alors une sonde électromagnétique de très haute résolution spatiale avec laquelle on étudie la « matière nucléaire ». Sur le plan pratique, l'effet Compton intervient lorsque l'on cherche à détecter des photons. Cependant, il présente plus d'inconvénients que d'avantages, au contraire de son concurrent, l'effet photoélectrique. Ainsi, lors de radiographie, l'effet Compton donne un fond uniforme venant ternir la photographie qui reflète l'interaction des photons avec les différentes parties du corps selon l'effet photoélectrique.

Aspect corpusculaire de la lumière

Les premières mesures précises concernant la diffusion des rayonnements électromagnétiques par la matière furent effectuées par Hewlett à l'aide d'un faisceau de rayons X mous (peu énergiques). Il existait déjà une théorie de la diffusion, inventée par J. J.  Thomson. Elle était fondée sur des mouvements oscillatoires des électrons atomiques induits par le rayonnement primaire, entraînant l'émission d'un rayonnement secondaire de même longueur d'onde. Les résultats de Hewlett semblaient en accord avec cette théorie.

Compton utilisa des faisceaux de rayons X durs et des rayons γ. Les mesures d'intensité se révélèrent en contradiction avec la théorie précédente et, de plus, il observa pour la première fois le changement de la longueur d'onde du rayonnement diffusé. Indépendamment, Compton et Debye interprétèrent ce nouvel effet par une diffusion élastique d'un photon par un électron libre. Cette expérience illustrait parfaitement l'aspect corpusculaire de la lumière. L'application des lois de conservation de l'énergie et de l'impulsion conduit à la relation de l'effet Compton :