光は「波」か「粒子」か？ コンプトン効果が示した答え

1923年、アーサー・コンプトンはX線を物質に照射すると、散乱されたX線の波長が元の波長よりも長くなる（＝エネルギーが低くなる）現象を発見しました。これを「コンプトン効果」と呼びます。

もし光が単なる「波」であれば、電子に当たって散乱しても波長（振動数）は変わらないはずでした。波長が変わるということは、光が「粒子（光子）」として電子に衝突し、ビリヤードの球のようにエネルギーの一部を電子に弾き飛ばしたことを意味します。この発見は、光の粒子性を決定づける歴史的な証拠となり、コンプトンはノーベル物理学賞を受賞しました。

1. 計算式の意味

波長のズレ $\Delta \lambda$ は以下の式で表されます。

$$ \Delta \lambda = \frac{h}{m_e c} (1 - \cos \theta) $$

• $h$: プランク定数 ($6.626 \times 10^{-34} \text{ J s}$)
• $m_e$: 電子の静止質量 ($9.109 \times 10^{-31} \text{ kg}$)
• $c$: 光速 ($2.998 \times 10^8 \text{ m/s}$)
• $\theta$: 散乱角（光子が曲げられた角度）

この式の係数 $\frac{h}{m_e c}$ は「電子のコンプトン波長」と呼ばれ、約 $2.426 \times 10^{-12} \text{ m}$ ($2.426 \text{ pm}$) という定数になります。つまり、波長のズレは入射波長に関係なく、散乱角度だけで決まるのです。

2. 医療現場での影響

レントゲンやCTスキャンなどのX線撮影において、このコンプトン散乱は「ノイズ」の原因になります。体内で散乱したX線はフィルムや検出器に予期せぬ方向から当たり、画像の鮮明さを低下させる「散乱線カブリ」を引き起こします。これを防ぐために、散乱線除去グリッドなどが使われています。