Arthur Compton

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Arthur Holly Compton (né le 10 septembre 1892 à Wooster (Ohio) et mort le 15 mars 1962 à Berkeley (Californie) était un physicien états-unien.

Il fut récompensé en 1927 (avec Charles Thomson Rees Wilson) par le prix Nobel de physique, pour ses travaux sur les rayons X (effet Compton), après avoir reçu le prix Rumford en 1926. Il fut également lauréat de la Médaille Hughes et de la Médaille Franklin en 1940.

[modifier] Histoire de la découverte de l'Effet Compton

Article détaillé : Diffusion Compton.

C'est dans une atmosphère de très grand scepticisme au sujet de la théorie de la quantification de la lumière de Einstein que Arthur H. Compton débuta ses travaux de thèse en 1912. Compton a soutenu sa thèse de doctorat à l'université de Princeton en juin 1916.

Il passa l'année suivante (1916-1917) en tant que professeur de physique à l'Université du Minnesota, puis devint ingénieur de recherche pour la compagnie des lampes Westinghouse durant 2 ans (1917-1919). Arthur Compton reçut en 1919 une des premières bourses du conseil national de la recherche pour aller étudier en Grande Bretagne à Cambridge, au sein du laboratoire Cavendish pour l'année universitaire 1919-1920. De retour aux États-Unis, il est nommé professeur de physique et directeur du département de physique de l'Université Washington à Saint Louis (Missouri). Il y restera jusqu'en 1923, date de la publication de sa découverte de l'effet qui porte désormais son nom.

Lorsque Compton débuta ses recherches à l'Université du Minnesota en 1916, l'électrodynamique classique était encore acceptée par une très grande majorité des physiciens. Cette hypothèse guida ses recherches et sous-tendait ses différentes expériences. Compton voulait tester expérimentalement une ancienne théorie de Wilhelm Weber considérant l'atome comme l'ultime particule magnétique. Pour cette expérience, Compton fit réfléchir des rayons X sur un cristal de magnétite en ajoutant alternativement un champ magnétique extérieur.

Il cherchait à observer un éventuel changement dans les figures de diffraction de Laue, qui auraient dû apparaître du fait du mouvement des atomes de magnétite dans leur réseau cristallin. Malgré de nombreuses tentatives, Compton ne vit jamais de modification des figures de diffraction.

Il passa les 5 années suivantes à essayer de comprendre comment les rayons X sont diffusés lorsqu'ils traversent la matière.

Lorsqu'il rejoint la compagnie Westinghouse en 1917, ces résultats l'avaient déjà convaincu que ce n'était pas l'atome qui était la particule magnétique ultime mais bien l'électron. Durant sa période industrielle, Compton continua à travailler sur des sujets théoriques concernant la dimension de l'électron.

Compton réfléchit à de nouvelles idées à Cavendish, non seulement grâce aux nombreuses critiques de Rutherford, mais aussi grâce aux résultats expérimentaux qu'il avait pu obtenir pendant son séjour à Cavendish.

Ses expériences les plus significatives étaient semblables à celles que J.A. Gray avait effectuées à Cavendish avant la première guerre mondiale. Elles consistaient à envoyer un faisceau de rayons gamma sur des feuilles minces de diverses substances telles que le fer, l'aluminium, et la paraffine, en plaçant un écran, d'abord dans le faisceau primaire, puis dans le faisceau secondaire, pour observer s'il y avait des différences entre les rayons gamma dans les deux faisceaux.

Il a pu constater qu'en effet, des différences existaient. Les rayons gamma secondaires ou diffusés étaient plus intenses vers l'avant que vers l’arrière pour une même direction ; ils étaient « plus mous » ou d'une plus grande longueur d'onde que les rayons gamma primaires. Cette « dureté », ou longueur d'onde, ne dépendait pas de la nature du matériau diffuseur et devenait « plus molle » (ou d'une plus grande longueur d'onde) lorsque l’angle thêta de diffusion augmentait. Ces résultats expérimentaux étaient remarquables, et Compton travaillait ardemment pour les expliquer théoriquement.

Une nouvelle fois, Compton a supposé que la longueur d'onde des rayons gamma ne pouvaient pas être modifiée lors de la diffusion – conformément à la théorie classique de diffusion de Thomson. Il a donc recherché une nouvelle explication. Compton finit par conclure que les rayons gamma primaires excitaient l'émission d'un nouveau type de rayonnement gamma de fluorescence dans le matériau diffuseur - un nouveau type parce que la seule des quatre caractéristiques qu'il avait en commun avec le rayonnement de fluorescence classique était qu'il avait une plus grande longueur d'onde que le rayonnement primaire. Mais comment un type de rayonnement fluorescent si nouveau pouvait il être excité dans le matériau diffuseur ?

Compton proposa un mécanisme spécifique : les rayons gamma primaires frappaient les électrons dans le diffuseur, qu'il considérait maintenant comme des oscillateurs électriques, et qui étaient propulsés vers l’avant à des vitesses relativistes. Le rayonnement émis par de tels électrons, oscillateurs relativistes, formerait un pic dans direction vers l'avant, et lors de son observation, par exemple perpendiculairement à la direction du mouvement, il subirait un décalage Doppler induisant une plus grande longueur d'onde que le rayonnement primaire. C’est ainsi que Compton expliquait les caractéristiques des rayons gamma diffusés qu'il avait observés.

Lorsque Compton quitta le laboratoire de Cavendish à la fin de l'été de 1920 pour prendre la charge de professeur à l'université Washington à Saint Louis (Missouri), il emporta avec lui un spectromètre de Bragg, dans le but de voir si les rayons X pourraient exciter le même nouveau type de rayonnement fluorescent - avec toutes ses caractéristiques peu communes qu'il avait observées pour les rayons gamma.

Son plan était d'utiliser son spectromètre de Bragg non pas comme spectromètre, mais comme « sélecteur de longueur d'onde », c'est-à-dire pour produire un faisceau monochromatique de rayons X. En avril 1921, il obtint sa réponse : les rayons X monochromatiques excitaient en effet le même nouveau type de rayonnement fluorescent que les rayons gamma. En outre, comme il le découvrit bientôt avec Charles F. Hagenow, le nouveau rayonnement de fluorescence X était également polarisé – un nouveau comportement étonnant par rapport au rayonnement de fluorescence ordinaire.

En automne 1921, Compton eut une nouvelle surprise.

J.A. Gray, maintenant à l'université de McGill à Montréal, mais qui travaillait temporairement dans le laboratoire de William H. Bragg à l'université de Londres, s’était également tourné vers des expériences de rayons X en 1920. Il avait envoyé des rayons X approximativement homogènes d'une raie de l’étain sur un écran en aluminium et avait également constaté que les rayons X secondaires étaient beaucoup plus « mous » que les primaires. Il expliqua cette observation en supposant que les rayons X primaires se composaient d’impulsions électromagnétiques interférant les unes avec les autres après avoir été diffusées, pour former des impulsions plus larges, c’est-à-dire plus « douces ». En même temps, Gray invoquait également que si ses rayons de X primaires étaient constitués non pas d’impulsions électromagnétiques mais d’ondes électromagnétiques véritablement monochromatiques, alors les rayons X secondaires ou diffusés auraient nécessairement la même longueur d'onde que les primaires - suivant encore la théorie classique de la diffusion de Thomson.

En septembre 1921, S.J. Plimpton, qui travaillait également dans le laboratoire de Bragg à Londres, confirma l'interprétation de Gray. Plimpton montra qu'un faisceau homogène de rayons X, produits par réflexion à partir d'un cristal incurvé de mica, ne devenait pas plus « mou » une fois diffusé par de la paraffine ou de l'eau.

L'interprétation de Gray et la confirmation de Plimpton troublèrent profondément Compton, parce qu'il avait conclu que quand un faisceau primaire homogène de rayons X traversait la matière, le secondaire ou les rayons X diffusés étaient en effet plus « mous » que les primaires, puisqu'ils étaient composés de son nouveau type de rayons X de fluorescence. Alors, Compton, immédiatement (en octobre 1921), effectua d'autres expériences et se convainquit que Plimpton était dans l’erreur et que lui avait raison.

En conséquence, Plimpton et Gray se trompaient en croyant que seul un faisceau inhomogène de rayons X pouvait devenir plus « mou » une fois diffusé.

La théorie de l'impulsion de Gray, en d'autres termes, devait être incorrecte, et la théorie du rayonnement de fluorescence devait être correcte.

Compton considéra son expérience comme cruciale – crucis experimentum, dans la terminologie vénérable de Newton - entre la sienne et les théories de Gray, n'ayant pas la moindre idée qu'une troisième théorie entièrement différente était alors possible.

Ceci, généralement, est une erreur de base dans le concept de l’expérience cruciale : penser en termes dichotomes exclut la possibilité d'une troisième interprétation.

Juste après avoir rapporté les résultats précédents, Compton fit le plus consécutif de tous les changements dans son programme expérimental. Il commença à utiliser son spectromètre de Bragg non plus comme « sélecteur de longueur d'onde » mais comme véritablement un spectromètre, c’est-à-dire qu’il commença à comparer le spectre du rayonnement secondaire et celui des rayons X primaires.

Il utilisa pour ses rayons X primaires la raie K du molybdène, dont la longueur d'onde est lambda = 0.708 Angström, qu’il envoya sur des diffuseurs de pyrex et de graphite. Il observa les rayons X secondaires à un angle de diffusion d’environ de 90 degrés.

Il publia ses résultats dans Physical Review au début de décembre 1921. Il n'inclut pas dans l'article les spectres obtenus , mais ses cahiers d’expérience, retrouvés depuis, montrent le fait suivant : la raie du spectre secondaire était légèrement décalée vers la droite par rapport à celle du spectre primaire, et Compton n'avait pas vu ce petit décalage de longueur d'onde.

Son article stipulait que la longueur d’onde du rayonnement secondaire est de 0,95 Angström, ou environ 35% plus grande que celle du spectre primaire à 0.708 Angström. En d'autres termes, Compton considérait que le spectre primaire était constitué de raies intenses à gauche – vues comme une raie simple à 0.708 Å - et que les raies du spectre secondaire étaient groupées à droite - vues comme une suele raie simple à 0.95 Angström.

Le rapport mesuré des longueurs d’onde primaire/secondaire était alors λ / λ' = 0.708/0.95 = 0.75.

A partir de ces données, comment Compton a-t-il expliqué cette grande variation dans la longueur d'onde ? Il a de nouveau utilisé son hypothèse du rayonnement de fluorescence et a interprété le grand décalage de longueur d'onde comme un effet Doppler. Ainsi, vu à un angle de 90°, le rapport des longueurs d’onde primaire/secondaire est donné par λ / λ'= 1-v/c, où v est la vitesse des électrons-oscillateurs émettant les rayons X secondaires. Comment Compton a-t-il déterminé la vitesse v ? En appliquant la conservation d'énergie, c’est-à-dire en écrivant 1 / 2 mv² = hν, ce qui conduit à l’expression λ / λ' = 1−v/c = 1−√((2hν/mc²)) = 1 – 0,26 = 0,74 (avec hν = 0.017 MeV et mc² = 0,511 MeV).

Qui peut souhaiter un si bon accord avec une mesure expérimentale ? Ceci est un très bel exemple historique de théorie fausse confirmée par des résultats expérimentaux douteux.

Lorsqu’en octobre 1922 Compton publia un article pour le Conseil National de la recherche, il se rendit compte qu’il avait mal lu ses résultats expérimentaux. Il réalisa que le décalage en longueur d’onde entre le rayonnement primaire et le rayonnement secondaire n’était pas de 35%, mais seulement de quelques pour cents.

Ce ratio était en réalité λ / λ' = 0.708/0.730 = 0.969. Comment alors expliquer ce résultat ? Une fois encore Compton l'interpréta à l’aide de sa théorie du rayonnement de fluorescence associé à un effet Doppler, mais désormais en considérant que la vitesse des électrons-oscillateurs était déterminée par la conservation de l’impulsion. En utilisant l’expression h/λ = mv, il arriva à λ / λ' = 1−v/c = 1−h/mcλ

Une fois encore, qui pouvait rêver meilleur accord entre théorie et expérience ? Ceci est à nouveau un bel exemple de théorie fausse mais confirmée par des données expérimentales correctes.

Dans le mois qui suivit, Compton mit tous ces résultats ensemble, il dessina le diagramme correct de conservation de l’impulsion, utilisa ensemble conservation de l’énergie et conservation de l’impulsion, utilisa l’expression relativiste exacte pour la masse de l’électron et en déduisit la désormais célèbre formule du décalage en longueur d’onde apparaissant lors d’une diffusion de rayons X : Δλ = λ'/λ = (h/m $0$ c)(1-cosΘ).

A un angle de 90°, le décalage obtenu serait ainsi de 0,024 Å, ce qu’il compara avec son résultat expérimental (correctement lu) de l’ordre de 0,022 Å.

Il n’y avait plus aucun besoin d’invoquer un rayonnement de fluorescence associé à un effet Doppler. Pour expliquer le changement de longueur d’onde observé, il suffisait de considérer qu’un quantum de lumière d’énergie hν et d’impulsion hν/c entrait en collision avec un électron libre à la manière d’une boule de billard et le projetait vers l’avant avec une vitesse relativiste.

Compton expliqua son nouveau calcul tout d’abord à ses étudiants de l’université Washington en novembre 1922, puis lors d’une rencontre de l’American Physical Society à Chicago le 2 décembre 1922. Il soumit sa théorie quantique de la diffusion à la Physical Review le 10 décembre 1922 ; cet article paru en mai 1923. Arthur Holly Compton avait découvert l’ "effet Compton".