อาร์เทอร์ คอมป์ตัน กำลังถือตัวตรวจวัดรังสีคอสมิก บนปกนิตยสารไทม์ ฉบับลงวันที่ 13 มกราคม พ.ศ. 2479

ปรากฏการณ์คอมป์ตัน

หลังจากที่ได้ทำวิจัยที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เป็นเวลาหนึ่งปีมาแล้ว อาร์เทอร์ได้เดินทางกลับมารับตำแหน่งศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ เวย์แมน คราว (Wayman Crow Professor of Physics) และหัวหน้าภาควิชาฟิสิกส์มหาวิทยาลัยวอชิงตันเซนต์หลุยส์[6] สองปีต่อมาเขาได้ค้นพบการกระเจิงของควอนตารังสีเอกซ์จากอิเล็กตรอนอิสระ โดยสังเกตได้ว่ารังสีเอกซ์หลังกระเจิงมีความยาวคลื่นยาวกว่าก่อนกระเจิง เขาจึงอธิบายว่า รังสีเอกซ์สูญเสียพลังงานส่วนหนึ่งให้กับอิเล็กตรอนขณะพุ่งเข้าชน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์คอมป์ตัน[12][13]

ต่อมา ในปี พ.ศ. 2466 อาร์เทอร์ตีพิมพ์บทความลงในวารสาร ฟิสิกัลรีวิว ว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงความถี่ของรังสีเอกซ์ โดยเสนอว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน โฟตอนแต่ละตัวมีพลังงานขึ้นกับความถี่ อันเป็นแนวคิดของมักซ์ พลังค์ ที่เสนอไว้เมื่อ 23 ปีก่อน นอกจากนี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ใช้แนวคิดเดียวกันอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก[14] ในบทความดังกล่าวมีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงไป กับมุมกระเจิงของรังสีเอกซ์ โดยสมมติให้โฟตอนหนึ่งตัวชนกับอิเล็กตรอนอิสระหนึ่งตัว จากนั้นจะได้ว่า

λ ′ − λ = h m e c ( 1 − cos ⁡ θ ) , {\displaystyle \lambda '-\lambda ={\frac {h}{m_{e}c}}(1-\cos {\theta }),}

โดยที่

λ {\displaystyle \lambda } แทนความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ก่อนกระเจิง λ ′ {\displaystyle \lambda '} แทนความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์หลังกระเจิง h {\displaystyle h} แทน ค่าคงตัวพลังค์ m e {\displaystyle m_{e}} แทนมวลนิ่งของอิเล็กตรอน c {\displaystyle c} แทนอัตราเร็วแสง θ {\displaystyle \theta } แทนมุมกระเจิง[13]

ค่าคงตัว h/mec เรียกว่า ความยาวคลื่นคอมป์ตันของอิเล็กตรอน ซึ่งมีค่า 2.43×10−12 m ความต่างความยาวคลื่น λ′ − λ มีค่าได้ตั้งแต่ศูนย์ (เมื่อ θ = 0°) จนถึงสองเท่าของความยาวคลื่นคอมป์ตัน (เมื่อ θ = 180°))[15] ในการทดลองจริง รังสีเอกซ์บางลำอาจไม่ได้เปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นเลยแม้จะกระเจิงเป็นมุมกว้าง และบางกรณีโฟตอนอาจไม่กระเจิงออกจากอิเล็กตรอนเลย อย่างไรก็ดี การกระเจิงคอมป์ตันสามารถเกิดที่ระดับอะตอม ซึ่งใหญ่กว่าอิเล็กตรอนถึง 10,000 เท่า[13]

จากปรากฏการณ์ดังกล่าว ได้ยืนยันสมบัติความเป็นอนุภาคของรังสีเอกซ์ และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่น ทำให้เจ้าของผลงานได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี พ.ศ. 2470 ร่วมกับอัลเฟรด ไซมอน ซึ่งคิดค้นวิธีการสังเกตการกระเจิงโฟตอนพร้อม ๆ กับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่ง อันเป็นวิธีที่คล้ายกับวิธีของวอลเทอร์ โบเทอ (Walther Bother) และฮันส์ ไกเกอร์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน[12] อาร์เทอร์เคยกล่าวไว้ว่า "ตอนที่ผมเสนอผลงานในสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน ราว ๆ ปี 2466 เรื่องนี้นับว่าเป็นเรื่องที่ถกกันได้ยาวทีเดียวเท่าที่ผมเคยเห็นมาในชีวิต"[16]

การทดลองรังสีเอกซ์

อาร์เทอร์ คอมป์ตัน ขณะเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาให้แก่ลุยส์ อัลวาเรซ นักศึกษาปริญญาเอก ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก เมื่อปี พ.ศ. 2476 ด้านข้างเป็นตัวตรวจวัดรังสีคอสมิก

ในปี พ.ศ. 2466 อาร์เทอร์ย้ายไปทำงานที่มหาวิทยาลัยชิคาโก โดยทำงานเป็นอาจารย์สอนฟิสิกส์[6] โดยเขาได้ทำงานนานถึง 22 ปีทีเดียว.[12] สองปีหลังจากเข้าทำงาน เขาได้สาธิตการกระเจิงรังสีเอกซ์พลังงาน 130,000 โวลต์ กับอะตอมธาตุ 16 ธาตุแรกในตารางธาตุ (ไฮโดรเจน จนถึง กำมะถัน) โดยรังสีเอกซ์ที่ได้เป็นคลื่นโพลาไรซ์ ตามผลที่จอห์น ทอมสันได้เคยระบุไว้ ทางด้านมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด วิลเลียม ดูแอน (William Douane) ได้พยายามทำการทดลองเพื่อหักล้างงานที่อาร์เทอร์ทำ แต่ไม่เป็นผล[12] นอกจากปรากฏการณ์คอมป์ตันแล้ว อาร์เทอร์ยังได้ศึกษาผลของรังสีเอกซ์ที่มีต่อนิวเคลียสโซเดียมกับคลอรีน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเกลือแกง ในการศึกษานี้ได้ใช้รังสีเอกซ์ศึกษาภาวะเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งเป็นผลมาจากการจัดตัวของสปินอิเล็กตรอน[17] ในปี พ.ศ. 2469 อาร์เทอร์เขียนหนังสือ รังสีเอกซ์และอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นหนังสือว่าด้วยการศึกษาสมบัติวัสดุด้วยรังสีเอกซ์ มีหัวข้อว่าด้วยการคำนวณความหนาแน่นของวัสดุซึ่งเลี้ยวเบนรังสีได้[17] เก้าปีต่อมาได้ร่วมกับแซมมวล แอลิสัน (Samuel Alison) เขียนหนังสือชื่อ รังสีเอกซ์ในทฤษฎีและการทดลอง นับเป็นมาตรฐานในขณะนั้น[18]

ต่อมาในปี พ.ศ. 2477 อาร์เทอร์รับเป็นที่ปรึกษาแผนกหลอดไฟของบริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริก แปดปีให้หลังเขาเดินทางไปยังประเทศอังกฤษเพื่อไปดูแลห้องปฏิบัติการของบริษัทฯ ที่ตำบลเวมบลีย์ อำเภอเบรนต์ ชานกรุงลอนดอนด้านตะวันตกเฉียงเหนือ รวมถึงเป็นศาสตราภิชานอีสต์แมนที่มหาวิทยาลัยออกซฟอร์ด ระหว่างนั้น เขาได้สนใจทำวิจัยเรื่องหลอดวาวแสง (หลอดฟลูออเรสเซนต์) อีกด้วย[19][20]

การทดลองรังสีคอสมิก

นอกจากรังสีเอกซ์แล้ว อาร์เทอร์สนใจรังสีคอสมิกซึ่เป็นรังสีจากนอกโลกและไม่มีผู้ได้ทราบถึงธรรมชาติที่แน่นอนของรังสี นอกเสียจากจะตรวจวัดด้วยทรงกลมโลหะบรรจุแก๊สอาร์กอน ต่อกับตัวตรวจวัดความนำไฟฟ้า ด้วยความสนใจนี้เองเขาได้เดินทางไปในหลายประเทศ อาทิ ทวีปยุโรป อินเดีย เม็กซิโก เปรู และออสเตรเลีย เพื่อตรวจวัดปริมาณรังสีคอสมิกตามตำแหน่งและความสูงที่แตกต่างกัน เมื่อนำข้อมูลมารวมกับกลุ่มวิจัยอื่นพบว่า รังสีคอสมิกที่ขั้วโลกมีความแรงมากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร 15% เขาอธิบายว่ารังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ แทนที่จะเป็นแสงเฉย อย่างที่โรเบิร์ต มิลลิแกน ได้อธิบายไว้ และเนื่องจากสนามแม่เหล็กโลกที่ความเข้มต่างกันก็ทำให้ความแรงของรังสีคอสมิกไม่เท่ากัน[21]