EFECTO COMTON

Efecto compton

El Efecto Compton fue estudiado por el físico Arthur Compton en 1923, quién pudo explicarlo utilizando la noción cuántica de la radiación electromagnética como cuantos de energía y la mecánica relativista de Einstein. El efecto Compton constituyó la demostración final de la naturaleza cuántica de la luz tras los estudios de Planck sobre el cuerpo negro y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico. Como consecuencia de estos estudios Compton ganó el Premio Nobel de Física en 1927.

Este efecto es de especial relevancia científica, ya que no puede ser explicado a través de la naturaleza ondulatoria de la luz. La luz debe comportarse como partículas para poder explicar estas observaciones, por lo que adquiere una dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica.

La variación de longitud de onda de los fotones dispersados, Δλ, puede calcularse a través de la relación de Compton:

donde h es la constante de Planck, me es la masa del electrón, c es la velocidad de la luz y θ es el ángulo entre los fotones incidentes y dispersados.

Esta expresión proviene del análisis de la interacción como si fuera una colisión elástica y su deducción requiere únicamente la utilización de los principios de conservación de energía y momento. La cantidad h / mec = 0.0243 Å, se denomina longitud de onda de Compton. Para los fotones dispersados a 90º, la longitud de onda de los rayos X dispersados es justamente 0.0243 Å mayor que la línea de emisión primaria.

Deducción matemática

La deducción de la expresión para Δλ (llamada a veces corrimiento de Compton) puede hacerse considerando la naturaleza corpuscular de la radiación y las relaciones de la mecánica relativista. Consideremos un fotón de longitud de onda λ y momentum h / λ dirigiéndose hacia un electrón en reposo (masa en reposo del electrón me). La Teoría de la Relatividad Especial impone la conservación del cuadrimomentum . Si λ' es la longitud de onda del fotón dispersado y es el momentum del electrón dispersado se obtiene:

Donde θ y φ son, respectivamente, los ángulos de dispersión del fotón y del electrón (medidos respecto de la dirección del fotón incidente). La primera de las ecuaciones anteriores asegura la conservación de la componente del momentum perpendicular a la dirección incidente, la segunda hace lo mismo para la dirección paralela. La conservación de la energía da:

Lo que sigue es un trabajo de Álgebra elemental. De las ecuaciones de conservación del momentum es fácil eliminar φ para obtener:

En la expresión para la conservación de la energía hacemos:

Reemplazando la expresión para p2 hallada anteriormente y luego de algunas operaciones se llega a la expresión para el corrimiento de Compton con

Experimento de Michelson y Morley

El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson y Edward Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

La teoría física del final del siglo XIX postulaba que, al igual que las olas y el sonido son ondas que necesitan un medio para transportarse (como el agua o el aire), la luz también necesitaría un medio, llamado "éter". Como la velocidad de la luz es tan grande, diseñar un experimento para detectar la presencia del éter era muy difícil.

El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter.

Cada año, la Tierra recorre una distancia enorme en su órbita alrededor del Sol, a una velocidad de 30 km/s (más de 100.000 km/h). Se creía que la dirección del "viento del éter" con respecto a la posición de nuestra estrella variaría al medirse desde la Tierra, y así podría ser detectado. Por esta razón, y para evitar los efectos que podría provocar el Sol en el "viento" al moverse por el espacio, el experimento debería llevarse a cabo en varios momentos del año.

El efecto del viento del éter sobre las ondas de luz,

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