COMPTON EFFET

Un succès de l'électrodynamique quantique

La description théorique de l'effet Compton est fournie actuellement par la mécanique quantique relativiste appelée également théorie des champs. L'interaction entre le photon et l'électron étant purement électromagnétique, ce problème fut rapidement résolu et la solution est fréquemment citée pour illustrer le succès de cette nouvelle mécanique. Cette interaction se traduit par une série de réactions dont celle qui est prépondérante peut être représentée par le schéma appelé graphe de Feynmann.

La probabilité du phénomène en fonction de l'angle de diffusion du photon est calculable à l'aide des règles de Feynmann. C'est une suite de conventions mathématiques qui permet d'associer à ce graphe une amplitude (qui est en général un nombre complexe) dont le carré du module est proportionnel à la probabilité cherchée.

Le résultat constitue la formule de Klein-Nishina :

Sa comparaison avec des observations nécessitera un travail acharné de nombreux physiciens. Les expériences ont eu d'abord pour principal objet la mise en évidence de la réaction de diffusion, en détectant les électrons de recul, en constatant la coïncidence entre l'émission du photon et de l'électron secondaire et, enfin, en vérifiant la loi de conservation de l'énergie et de l'impulsion.

La première confirmation du phénomène fut donnée par l'observation des électrons de recul, à l'aide d'une chambre à brouillard, par Charles Wilson et Walter Bothe. La détermination de la valeur limite supérieure de l'intervalle de temps séparant l'émission du photon de celle de l'électron était autrefois très délicate, et on adopta des méthodes indirectes. Ainsi Bothe et Geiger utilisèrent les diffusions successives d'un même photon par deux électrons. La détection de ces électrons s'effectuait à l'aide de deux compteurs Geiger à pointe et les premiers résultats donnèrent une valeur limite inférieure à 10 ^—2 s. Cependant plusieurs expériences de ce type furent montées et certaines d'entre elles semblèrent indiquer que les particules détectées étaient réparties d'une manière aléatoire dans le temps (infirmant ainsi l'hypothèse de simultanéité d'émission). Ces résultats furent à l'origine d'une polémique où l'on vit réapparaître l'ancienne théorie statistique de Bohr, Kramers et Slater. On estime aujourd'hui que ces anomalies étaient imputables au temps mort des compteurs Geiger.

En 1936, Robert Shankland utilisa des circuits à coïncidence améliorés et des taux de comptage faibles. Il obtint une limite supérieure de 10^—4 s. De plus, il étudia les angles d'émission des deux particules et vérifia avec une précision de ± 10 degrés la relation :

L'évolution de la technique a permis d'obtenir des résultats plus convaincants encore au cours des années 1950 à 1954. Parmi les premiers, il faut citer l'équipe de Robert Hofstadter à Stanford qui obtint une limite de 1,5 × 10^—8 s. Cette valeur fut enfin repoussée à 10^—11 s par Z. Bay.

Une expérience destinée à déterminer la distribution angulaire des photons diffusés a été effectuée par Völker en 1954, afin de la comparer aux prédictions de la formule de Klein-Nishina. Le faisceau primaire était produit dans une cible interne d'un bêtatron par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung).

L'électron et le photon secondaires se trouvaient détectés simultanément avec un temps de résolution de 5 × 10^—9 s dans des directions prédites par les[...]