Qué es el efecto Compton y cómo funciona en física

El efecto Compton (también llamado dispersión Compton) es el resultado de un fotón de alta energía que colisiona con un objetivo, que libera electrones ligados libremente desde la capa externa del átomo o molécula. La radiación dispersa experimenta un cambio de longitud de onda que no puede explicarse en términos de la teoría de ondas clásica, lo que respalda la teoría de fotones de Einstein. Probablemente la implicación más importante del efecto es que mostró que la luz no podía explicarse completamente de acuerdo con los fenómenos de onda. La dispersión de Compton es un ejemplo de un tipo de dispersión inelástica de luz por una partícula cargada. También se produce dispersión nuclear, aunque el efecto Compton generalmente se refiere a la interacción con electrones..

El efecto fue demostrado por primera vez en 1923 por Arthur Holly Compton (por el cual recibió un Premio Nobel de Física en 1927). Estudiante graduado de Compton, Y.H. Woo, luego verificó el efecto.

Cómo funciona la dispersión de Compton

La dispersión demostrada se ilustra en el diagrama. Un fotón de alta energía (generalmente rayos X o rayos gamma) colisiona con un objetivo, que tiene electrones ligados libremente en su capa externa. El fotón incidente tiene la siguiente energía. mi y momento lineal pag:

mi = hc / / lambda

pag = mi / / C

El fotón da parte de su energía a uno de los electrones casi libres, en forma de energía cinética, como se esperaba en una colisión de partículas. Sabemos que la energía total y el momento lineal deben conservarse. Analizando estas relaciones de energía y momento para el fotón y el electrón, terminas con tres ecuaciones:

• energía
• X-impulso componente
• y-impulso componente

... en cuatro variables:

• fi, el ángulo de dispersión del electrón
• theta, el ángulo de dispersión del fotón
• mi_mi, la energía final del electrón
• mi', la energía final del fotón

Si solo nos preocupamos por la energía y la dirección del fotón, entonces las variables electrónicas pueden tratarse como constantes, lo que significa que es posible resolver el sistema de ecuaciones. Al combinar estas ecuaciones y usar algunos trucos algebraicos para eliminar variables, Compton llegó a las siguientes ecuaciones (que obviamente están relacionadas, ya que la energía y la longitud de onda están relacionadas con los fotones):

1 / mi'- 1 / mi = 1/ ( metro_mi C ²) * (1 - cos theta)

lambda' - lambda = h/ (metro_mi C) * (1 - cos theta)

El valor h/ (metro_mi C) se llama Compton longitud de onda del electrón y tiene un valor de 0.002426 nm (o 2.426 x 10^-12 metro). Esto no es, por supuesto, una longitud de onda real, sino realmente una constante de proporcionalidad para el cambio de longitud de onda.

¿Por qué esto admite fotones??

Este análisis y derivación se basan en una perspectiva de partículas y los resultados son fáciles de probar. Al observar la ecuación, queda claro que todo el desplazamiento se puede medir únicamente en términos del ángulo en el que se dispersa el fotón. Todo lo demás en el lado derecho de la ecuación es una constante. Los experimentos muestran que este es el caso, dando un gran apoyo a la interpretación fotónica de la luz..

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph.D.