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Effet Compton : décalage de longueur d'onde et énergie du photon diffusé

Calculez le décalage de longueur d'onde, l'énergie du photon diffusé ainsi que l'énergie cinétique et l'angle de l'électron de recul lorsqu'un photon X ou gamma est diffusé par un électron.

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Résultats

Décalage de longueur d'onde Δλ

2,426

Longueur d'onde du photon diffusé

73,496

Énergie du photon incident
17,445 keV
Énergie du photon diffusé
16,869 keV
Énergie cinétique de l'électron de recul
0,5759 keV
Part de l'énergie cédée à l'électron
3,30 %
Angle de recul de l'électron
44,04 °

Quand la lumière rebondit sur un électron

En 1923, Arthur Compton envoie des rayons X sur un bloc de graphite et constate que les rayons diffusés ont une longueur d’onde un peu plus grande que les rayons incidents, d’une quantité qui ne dépend que de l’angle de diffusion. La théorie ondulatoire classique ne l’explique pas. Compton montre que tout s’éclaire si les rayons X se comportent comme des particules, les photons, qui heurtent chacun un électron comme une boule de billard et lui cèdent une partie de leur énergie et de leur quantité de mouvement. C’est l’une des preuves fondatrices de la dualité onde-corpuscule, au programme de terminale et de licence.

Les formules

  • Décalage de longueur d’onde : Δλ = λc × (1 − cos θ), avec la longueur d’onde de Compton de l’électron λc = h ÷ (mₑc) ≈ 2,426 pm
  • Longueur d’onde diffusée : λ’ = λ + Δλ
  • Énergie du photon : E = hc ÷ λ, avec hc ≈ 1 239,84 keV·pm
  • Énergie cinétique de l’électron : K = E − E'
  • Angle de recul de l’électron : cotan φ = (1 + E ÷ mₑc²) × tan(θ ÷ 2), avec mₑc² = 511 keV

Exemple : l’expérience de Compton

La raie Kα du molybdène a une longueur d’onde de 71,07 pm. Pour une diffusion à 90° :

  • Décalage : 2,426 × (1 − 0) = 2,426 pm
  • Longueur d’onde diffusée : 73,50 pm
  • Énergie du photon : 17,445 keV avant, 16,869 keV après
  • Énergie de l’électron : 0,576 keV, soit 3,3 % de l’énergie du photon
  • Angle de recul de l’électron : 44,04° par rapport à la direction incidente

Lire le résultat

  • À 0°, rien ne change : le photon passe sans interagir.
  • À 90°, le décalage vaut une longueur d’onde de Compton.
  • À 180°, rétrodiffusion, le décalage est maximal, 2λc ≈ 4,85 pm, et l’électron emporte le plus d’énergie.

Comme le décalage est fixe en valeur absolue, il compte surtout aux courtes longueurs d’onde. Pour un rayon gamma de 662 keV émis par le césium 137, de longueur d’onde 1,87 pm, un photon rétrodiffusé ne garde que 184 keV. Pour la lumière visible, vers 500 000 pm, le décalage est négligeable.

Applications

L’effet Compton domine l’interaction des rayons X et gamma avec les tissus mous entre environ 100 keV et 10 MeV : il façonne la distribution de dose en radiothérapie et le rayonnement diffusé qui dégrade les images radiologiques, d’où les tabliers plombés et les grilles anti-diffusion. Les spectromètres gamma montrent un « front Compton » caractéristique, et les caméras Compton servent à localiser des sources radioactives, par exemple en démantèlement nucléaire. Le calculateur suppose un électron libre et au repos, une bonne approximation quand l’énergie du photon dépasse largement l’énergie de liaison de l’électron.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'effet Compton ?

La diffusion d'un photon X ou gamma par un électron peu lié : le photon cède une partie de son énergie à l'électron et repart avec une longueur d'onde plus grande. Arthur Compton l'a décrit en 1923 et a reçu le prix Nobel de physique en 1927.

Qu'est-ce que la longueur d'onde de Compton ?

λc = h ÷ (mₑc) ≈ 2,426 pm pour l'électron. C'est le décalage obtenu pour un angle de diffusion de 90° ; le décalage maximal, 2λc soit environ 4,85 pm, correspond à un photon renvoyé vers l'arrière.

Pourquoi le décalage ne dépend-il pas de la longueur d'onde incidente ?

Parce qu'il découle seulement de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement entre le photon et l'électron. Le changement relatif est donc important pour les rayons gamma et négligeable pour la lumière visible.

Pourquoi l'effet Compton a-t-il compté ?

Il a montré que la lumière transporte une quantité de mouvement par paquets, les photons, ce que la théorie ondulatoire classique ne pouvait pas expliquer. Il intervient aujourd'hui en radiothérapie, en imagerie médicale et en radioprotection.

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