EL EFECTO COMPTON

El efecto Compton plantea que cuando se dispersan por electrones libres; los fotones pierden energía y la cantidad de pérdida de energía depende del ángulo de dispersión.

En física atómica, la dispersión de Compton, o efecto Compton (en inglés: efecto Compton); se refiere al fenómeno de que cuando los fotones de rayos X o rayos gamma interactúan con la materia; la longitud de onda se vuelve más larga debido a la pérdida de energía. En consecuencia, existe el efecto Compton inverso: el fotón gana energía y hace que la longitud de onda se acorta.

La magnitud de este cambio de longitud de onda se llama cambio de Compton. El efecto Compton generalmente se refiere a la interacción entre la nube de electrones de la materia y el fotón; pero también existe la interacción entre el núcleo de la materia y el fotón: el efecto Compton nuclear.

Introducción al efecto Compton

El efecto Compton fue observado por primera vez en 1923 por Compton; un físico de la Universidad de Washington en los Estados Unidos, y confirmado por su estudiante graduado Wu Yu Xun en los años siguientes. Compton ganó el Premio Nobel de Física en 1927 por descubrir este efecto. Este efecto refleja que la luz no solo es volátil. La teoría de ondas clásica de la dispersión de Thomson no puede explicar la causa del cambio de longitud de onda aquí; y se debe introducir la naturaleza de partícula de la luz.

Este experimento convenció a muchos físicos de la época de que la luz exhibía propiedades de partículas en determinadas circunstancias: el haz de luz se parecía a una corriente de partículas y la energía de la corriente de partículas era proporcional a la frecuencia de la luz. Después de introducir el concepto de fotones, la dispersión de Compton se puede explicar de la siguiente manera: los electrones chocan con los fotones elásticamente (dispersión inelástica causada por colisiones elásticas).

Los electrones ganan parte de la energía del fotón (rebotan) y el fotón que pierde parte de la la energía viene de la otra dirección, volando hacia afuera. El impulso total se conserva durante todo el proceso, y si la energía restante del fotón es suficiente, habrá una segunda o incluso una tercera colisión elástica.

La dispersión de Compton puede ocurrir en cualquier asunto. Cuando un fotón se emite desde una fuente de fotones y entra en un material de dispersión (generalmente conocido como metal), interactúa principalmente con los electrones. Si la energía del fotón es bastante baja (del mismo orden de magnitud que la energía de enlace del electrón); el efecto fotoeléctrico se produce principalmente y el átomo absorbe el fotón para producir ionización.

Teniendo en cuenta la energía del fotón es bastante grande (mucho más que la energía ligada del electrón); podemos pensar que el fotón dispersa electrones libres y se produce el efecto Compton. Si la energía de los fotones es extremadamente grande (> 1.022 millones de electronvoltios); basta con bombardear el núcleo para generar un par de partículas: electrones y positrones, fenómeno que se denomina generación de pares.

Dado que los fotones tienen dualidad onda-partícula, debería ser posible utilizar la teoría de ondas para interpretar este efecto. Erwin Schrödinger dio una teoría semiclásica en 1927. Esta teoría utiliza la electrodinámica clásica para describir fotones y la mecánica cuántica para describir electrones.

Fórmula de cambio de frecuencia de Compton

El propio Compton citó el efecto fotoeléctrico y la relatividad especial para explicar este fenómeno, y derivó la fórmula de cambio de frecuencia de Compton basada en la ley del coseno. Los símbolos corresponden a los siguientes

λo, longitud de onda antes de la colisión
λ, longitud de onda después de la colisión,
m, masa de electrones
θ, ángulo de rotación de la dirección del fotón (el ángulo de trayectoria entre antes y después de la colisión)
h, constante de Planck
c, velocidad de la luz

El efecto Compton es muy importante para la radiobiología y, dado que es la interacción más probable entre los rayos X de alta energía y los núcleos atómicos de los seres vivos, también se utiliza en radioterapia. En física de materiales, el efecto Compton se puede utilizar para detectar la función de onda de los electrones en la materia.

El efecto Compton también es un efecto importante en la espectroscopia de rayos gamma y es la causa del borde Compton (en el gráfico de espectro), porque los rayos gamma pueden dispersarse fuera del detector utilizado. La supresión de Compton (utilizando detectores más baratos para rodear al detector principal más caro) se utiliza para detectar rayos gamma dispersos para contrarrestar los efectos de este efecto.

Dispersión inversa de Compton La dispersión inversa de Compton es de gran importancia en astrofísica. En astronomía de rayos X, se cree que el disco de acreción alrededor del agujero negro genera radiación térmica. Los fotones de baja energía producidos por esta radiación sufrirán una dispersión Compton inversa con los electrones relativistas en el halo del agujero negro, ganando así energía.

Se considera que este fenómeno es la causa del término de potencia en el espectro de rayos X (0,2-10 kiloelectrones voltios) de los agujeros negros de acreción. Cuando la radiación de fondo de microondas cósmica atraviesa el gas caliente que rodea los cúmulos de galaxias, también se puede observar el efecto Compton inverso. Los fotones irradiados por el fondo cósmico de microondas se dispersan a mayor energía por los electrones en el gas, que es el efecto observado Sunyaev-Zeldovich.