¿Qué es el efecto Compton?
Editar este párrafo Efecto Compton Introducción al Efecto Compton
Investigación sobre el fenómeno de dispersión de Compton Se necesitaron diez o veinte años para obtener el resultado correcto. El efecto Compton fue la primera prueba experimental de la hipótesis de Einstein de que los fotones tienen impulso. Esto ocupa una posición importante en la historia del desarrollo de la física. Cuando los fotones interactúan con partículas de materia en el medio, pueden hacer que la luz viaje en cualquier dirección. Este fenómeno se conoce como dispersión de la luz y efecto Compton.
En 1922, cuando el físico estadounidense Compton estaba estudiando la dispersión de rayos X por electrones en grafito, descubrió que la longitud de onda de algunas ondas dispersadas era ligeramente mayor que la longitud de onda de la onda incidente. Él piensa que esto se debe a que cuando un fotón choca con un electrón, parte de la energía del fotón se transfiere al electrón. Compton postuló que los fotones, al igual que las partículas reales como los electrones y los protones, no sólo tienen energía sino también impulso. Durante una colisión, la energía y el momento se conservan. La radiación electromagnética de onda corta se dispersa después de entrar en la materia. En las ondas dispersas, además de la onda original, hay ondas con una longitud de onda aumentada. Cuanto mayor es el número atómico del dispersor, menor es la relación entre la intensidad de la longitud de onda agregada y la intensidad de la longitud de onda original. Con base en esta idea, se formula una ecuación para obtener la diferencia de longitud de onda antes y después de la dispersión. Los resultados coincidieron plenamente con los datos experimentales, confirmando su hipótesis. Este fenómeno se llama efecto Compton.
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Compton estudió la composición de la luz después de que los rayos X son dispersados por materiales más ligeros (grafito, parafina, etc.). ) En 1922 ~ 1923, se descubrió que hay componentes con la misma longitud de onda y longitudes de onda más largas en las líneas espectrales de dispersión. Este fenómeno de dispersión se llama dispersión Compton o efecto Compton. Compton proyectó 0,71 angstroms de rayos X sobre el grafito y luego midió la intensidad de los rayos X dispersados por las moléculas de grafito en diferentes ángulos. Cuando θ = 0°, sólo hay una frecuencia de luz igual a la frecuencia incidente. Cuando θ≠0° (como 45°, 90°, 135°), se encuentra que la luz dispersada tiene dos frecuencias. Uno tiene la misma frecuencia que la luz incidente y el otro tiene una frecuencia menor que la luz incidente. Esta última desviación aumenta al aumentar el ángulo. El descubrimiento del efecto Compton se publicó en Physical Review de mayo de 1923. A.H. Compton publicó el efecto que descubrió bajo el título Teoría cuántica de la dispersión de rayos X de elementos luminosos y lo explicó con la hipótesis cuántica de la luz. Escribió (A.H. Compton, Phys. Rev, 21 (1923) P.): "Desde el punto de vista de la teoría cuántica, se puede suponer que cualquier cuanto de rayos X en particular no es dispersado por todos los electrones en el cuerpo radiante. En cambio, toda la energía es consumida por un electrón especial, que a su vez emite un rayo a un determinado electrón. La curvatura de la trayectoria cuántica de radiación hace que el impulso del electrón dispersado retroceda, y el impulso es igual al cambio en. el impulso de los rayos X La energía del rayo es igual a la energía del rayo incidente menos la energía cinética del retroceso del electrón dispersado. Dado que la luz dispersada debe ser un cuanto completo, su frecuencia también disminuirá proporcionalmente con la. Por lo tanto, según la teoría cuántica, podemos esperar que la longitud de onda de la radiación dispersada sea mayor que la longitud de onda de la radiación incidente, y "la intensidad de la radiación dispersada sea mayor en la dirección hacia adelante de los rayos X originales que en la dirección inversa". dirección", que se mide experimentalmente. "Compton explicó la distribución de la dirección e intensidad de la radiación con un diagrama (ver imagen de la derecha). Según la conservación de la energía y el momento, y considerando los efectos relativistas, la longitud de onda de dispersión es: δλ=λ-λ0 = (2h/MC)sin 2( θ/2) Δλ es la diferencia entre la longitud de onda incidente λ0 y la longitud de onda dispersada λ θ, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, m es la masa en reposo del electrón , θ. Los físicos modernos conocen desde hace mucho tiempo este razonamiento. Es de sentido común, pero a Compton le resultó difícil hacerlo. Fueron necesarios más de diez o veinte años para estudiar este fenómeno antes de que Compton obtuviera el resultado correcto en 1923. El propio Compton se desvió durante cinco años. Un lado muestra la historia desigual del surgimiento y desarrollo de la física moderna. De la fórmula anterior se puede ver que el cambio de longitud de onda depende de θ y no tiene nada que ver con λ0. , para un ángulo determinado, el valor absoluto del cambio de longitud de onda de la luz incidente es cierto. Cuanto menor es la longitud de onda, mayor es el valor relativo del cambio de longitud de onda. Por lo tanto, el efecto Compton es más significativo para los rayos gamma que para los X-. rayos gamma Ya en 1904, el físico británico A.S. Eve estaba estudiando los rayos gamma. Los primeros indicios del efecto Compton se descubrieron cuando los tubos de radio emitían rayos gamma que eran dispersados por un dispersor y luego arrojados a un electrómetro insertando un absorbente en su trayectoria. del dispositivo de rayos incidentes o dispersos para probar su poder de penetración. Eve descubrió que los rayos dispersos son generalmente "más suaves" que los rayos incidentes (A.S. Eve, Phil. Mag. 8 (1904) p. 669.) Más tarde, la dispersión de los rayos gamma. estaba mucho más extendido En 1910, el británico D.C.H. Florance llegó a la conclusión clara de que el efecto Compton demostró que los rayos secundarios dispersos dependen del ángulo de dispersión y no tienen nada que ver con el material del dispersor. Cuanto mayor sea el ángulo de dispersión, mayor será el coeficiente de absorción. El llamado ablandamiento de la luz en realidad significa que la longitud de onda de la luz se vuelve más larga.
En aquel momento, la naturaleza de los rayos gamma aún no estaba determinada y sólo podía expresarse basándose en fenómenos experimentales. En 1913, J.A. Gray de la Universidad McGill rehizo el experimento de rayos gamma, confirmando la conclusión de Rowlands y midiendo con mayor precisión la intensidad de la radiación. Descubrió: "Las propiedades de los rayos gamma monocromáticos cambian después de que se dispersan. Cuanto mayor es el ángulo de dispersión, más suave es la luz dispersada". (J.A. Gray, Phil.Mag., 26 (1913) p. 611.) Hechos experimentales Se presenta claramente a los físicos, pero no se puede encontrar una explicación correcta. Compton también sufrió dispersión gamma en 1919. Midió la longitud de onda de los rayos gamma con métodos precisos y determinó que la longitud de onda se alarga después de la dispersión. Más tarde pasó de la dispersión de rayos gamma a la dispersión de rayos X. Después de que el cristal de grafito dispersara la línea Kα de molibdeno, se midió la intensidad de dispersión en diferentes direcciones en la cámara libre. Se puede ver en algunas curvas publicadas por Compton que la curva de dispersión de rayos X obviamente tiene dos picos, uno es igual a la longitud de onda del rayo original (línea constante) y el otro es más largo (línea variable). La desviación entre la línea variable y la línea constante cambia con el cambio del ángulo de dispersión. Cuanto mayor es el ángulo de dispersión, mayor es la desviación. El alumno de Compton, Wu, fue a los Estados Unidos desde China para estudiar e hizo grandes contribuciones a la investigación y verificación adicionales del efecto Compton. Además de realizar muchos experimentos convincentes sobre la negación de Duane, también confirmó la universalidad del efecto Compton. Probó las curvas de dispersión de rayos X de varios elementos y los resultados fueron consistentes con la fórmula de dispersión cuántica de Compton. Compton y Wu publicaron un artículo titulado "Longitudes de onda de líneas Kα de molibdeno dispersas por elementos ligeros" en 1924. (A.H. Compton y Y.H. Wu, Proc.Nat.Acad.Sei, 10 (1924) P.27.) Escribieron: "El punto importante de esta imagen es que los espectros obtenidos de diversos materiales varían en propiedades y son casi idénticos. En En cada caso, la línea constante P aparece en el mismo lugar que la línea fluorescente MoKa (la línea Kα del molibdeno), mientras que el pico de la línea cambiante aparece en la posición M predicha por la fórmula cuántica anterior para el cambio de longitud de onda, dentro del rango permitido. rango de error experimental, "la contribución más destacada de Wu al efecto Compton es medir la curva de la relación de intensidad R de la línea variable y la línea constante en la dispersión de rayos X en función del número atómico del dispersor, confirmando y desarrollando La teoría de Kang. La teoría de la dispersión cuántica de Puton. Einstein jugó un papel particularmente importante al afirmar el efecto Compton. Como se mencionó anteriormente, Einstein desarrolló aún más la teoría cuántica de la luz en 1916. Según su sugerencia, Burt y Geiger también intentaron utilizar experimentos para comprobar quién tenía razón entre la teoría clásica y la teoría cuántica de la luz, pero todos fracasaron. Cuando Einstein se enteró de los resultados del experimento de Compton en 1923, promovió y elogió con entusiasmo el experimento de Compton muchas veces en conferencias y periódicos y habló de su importancia. Einstein también recordó a los físicos: no se limiten a ver la naturaleza partícula de la luz. En sus experimentos, Compton se basó en las fluctuaciones de los rayos X para medir sus longitudes de onda. Publicó un breve artículo titulado "Experimento Compton" en el suplemento del Berliner Zeitung del 20 de abril de 1924, con una frase: "...la cuestión más importante es considerar hasta dónde debemos llegar para conseguir el proyectil "Las propiedades de un cuerpo se dan a partículas o fotones de luz" (R.S. Shankland (ed.), A.H. Compton Scientific Papers, University of Chicago Press, (1973)) Se debe a los esfuerzos de Einstein y otros. La dualidad onda-partícula de la luz sólo ha sido ampliamente reconocida. Los resultados experimentales muestran que (1) además de la misma línea espectral que la longitud de onda original λ0, la luz dispersada también contiene λ>. La línea espectral de λ0. (2) El cambio en la longitud de onda δλ=λ-λ0 aumenta con el aumento del ángulo de dispersión φ (el ángulo entre la dirección de dispersión y la dirección de incidencia). (3) Para materiales de dispersión de diferentes elementos, bajo el mismo ángulo de dispersión, los cambios en la longitud de onda δλ son los mismos. La intensidad de la luz dispersada con longitud de onda λ disminuye a medida que aumenta el número atómico del dispersor. Compton explicó con éxito estos resultados experimentales utilizando la teoría de fotones. La dispersión de rayos X es el resultado de la colisión elástica de un solo electrón y un solo fotón. El momento y la energía se conservan antes y después de la colisión. Después de la simplificación, δ λ = λ-λ 0 = (2h/m0C) sen 2 (/θ 2) se denomina fórmula de dispersión de Compton. λ=h/(m0c) se llama longitud de onda Compton del electrón. ¿Por qué la luz dispersada tiene líneas espectrales con la misma longitud de onda que la luz incidente? Los electrones internos no pueden considerarse electrones libres. Si un fotón choca con dicho electrón, el efecto Compton equivale a chocar con un átomo entero. En una colisión, el fotón transfiere muy poca energía al átomo, dejando su propia energía casi sin cambios. De esta manera, la longitud de onda original permanece en la luz dispersada. Debido a que el número de electrones en la capa interna aumenta a medida que aumenta el número atómico del dispersor, la intensidad en la longitud de onda λ0 aumenta y la intensidad en la longitud de onda λ disminuye. La dispersión Compton sólo es significativa cuando la longitud de onda de la luz incidente es similar a la longitud de onda del electrón, razón por la cual se eligen los rayos X para observar el efecto Compton. En el efecto fotoeléctrico, la luz incidente es luz visible o luz ultravioleta, por lo que el efecto Compton no es evidente.
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(1) Explicación clásica (explicación de las ondas electromagnéticas) Cuando las ondas electromagnéticas monocromáticas actúan sobre partículas cargadas más pequeñas que la longitud de onda, provocan vibraciones forzadas e irradian. en todas direcciones. ondas electromagnéticas de la misma frecuencia. La teoría clásica puede explicar la dispersión general invariante en frecuencia, ¡pero no puede explicar razonablemente el efecto Compton! (2) La teoría de los fotones explica que los rayos X son algunos fotones con e=hν, que chocan de manera completamente elástica con electrones libres. Los electrones ganan algo de energía, por lo que la energía de los fotones dispersados disminuye, la frecuencia disminuye y la longitud de onda se vuelve más larga.
Este proceso supone que el impulso y la conservación de la energía aún se mantienen, entonces electrón: p = m0vE=m0V2/2 (asumiendo que el electrón comienza a estar estacionario, se ignora la energía potencial) fotón: P=h/λ donde (h/m0C)= 2,34 × 10-12 m es la longitud de onda Compton.
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1. El cambio de longitud de onda de dispersión lD es del orden de 10-12 m. Para la longitud de onda de la luz visible de 1 a 10-7 m, LD no cambia y la frecuencia de la luz dispersada no cambia. El descubrimiento del efecto Compton y la coherencia entre el análisis teórico y los resultados experimentales no sólo confirmaron firmemente la exactitud de la hipótesis del fotón, sino que también confirmaron que el proceso de interacción de partículas microscópicas obedece estrictamente a la ley de conservación de la energía y el momento.
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El profesor Arthur Holly Compton es un famoso físico estadounidense y el descubridor del efecto Compton. Compton nació en Wooster, Ohio, en septiembre de 1892 y murió en Berkeley, California, en marzo de 1962 a la edad de 70 años. Compton nació en una familia de intelectuales de alto rango. Su padre era profesor de filosofía y decano del Worcester College. El hermano mayor de Compton, Carl, fue presidente del departamento de física de la Universidad de Princeton y más tarde se convirtió en decano del MIT. Era el mejor y más cercano líder científico de Compton.
Después de graduarse en Compton High School, fue ascendido a la Academia de Worcester. El hospital tiene una larga tradición histórica y tuvo un impacto decisivo en la vida y carrera de Compton. Aquí, su educación básica determinó casi por completo su actitud de por vida hacia la vida y la ciencia. Fuera de la academia, Compton estaba familiarizado con muchas cosas interesantes, como los campamentos de verano en Michigan, los primeros experimentos científicos de Carl, etc. Estos también fueron importantes para la futura carrera científica de Compton. Después de graduarse del College of Wooster en 1913, Compton ingresó a la Universidad de Princeton. Recibió su maestría en 1914 y su doctorado en 1916. Su tesis doctoral fue supervisada primero por O. W. Richardson y luego por H. L. Cook. Después de recibir su doctorado, Compton enseñó física durante un año en la Universidad de Minnesota (1916-1917) y luego trabajó como ingeniero de investigación para Westinghouse Electrical and Manufacturing Company en East Pittsburgh, Pensilvania, durante dos años. Durante este período, Compton realizó muchos trabajos originales en el desarrollo de instrumentos de aviación para el Cuerpo de Señales del Ejército. También obtuvo una patente para el diseño de una lámpara de vapor de sodio; Este último trabajo estuvo estrechamente relacionado con su posterior establecimiento de la industria de la iluminación fluorescente en La Park, Cleveland, Ohio. Mientras estuvo en Naira Park, trabajó en estrecha colaboración con Zay Jeffries, director técnico de General Electric Company, para promover el desarrollo de la industria de las lámparas fluorescentes, llevando el desarrollo de las lámparas fluorescentes a la era más activa. La carrera de Compton como científico comenzó con el estudio de los rayos X. Ya en la universidad propuso un nuevo punto de vista teórico en su tesis de graduación: la intensidad de la difracción de rayos X en un cristal está relacionada con la distribución electrónica de los átomos contenidos en el cristal. . Mientras trabajaba en Westinghouse (1917-1919); Compton continuó sus investigaciones sobre los rayos X. A partir de 1918 realizó estudios teóricos y experimentales sobre la dispersión de rayos X. Basándose en la teoría clásica de J.J. Thomson, Compton propuso la hipótesis de la linealidad finita de los electrones (radio 1,85×10-10”cm), que explicaba la relación observacional entre la densidad y el ángulo de dispersión. Este fue un comienzo simple, pero llevó a el concepto de "longitudes de onda Compton" para electrones y otras partículas elementales, concepto que luego se desarrolló plenamente en su propia teoría cuántica de la dispersión de rayos X y la electricidad cuántica.
Durante este período desarrolló su segunda. La investigación, iniciada en 1917 con Oswrald Rognley de la Universidad de Minnesota, se centró en el uso de efectos de magnetización para determinar la densidad de reflexión de rayos X de cristales magnéticos. Esta investigación demostró que el movimiento orbital de los electrones tiene un efecto sobre la magnetización. No tuvo ningún efecto. Creía que el ferromagnetismo era causado por las propiedades inherentes de los electrones, que eran una carga magnética básica. La exactitud de esta opinión fue más tarde demostrada con más fuerza por los resultados experimentales de su estudiante JC Stearns en la Universidad de Chicago. Después de la Primera Guerra Mundial, Compton fue a Inglaterra para realizar más estudios de 1919 a 1920 y participó en investigaciones en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. En ese momento, el Laboratorio Cavendish estaba en su época más próspera, con muchos científicos prometedores. Se mudó aquí desde el campo de batalla para estudiar con Rutherford y J.J. Compton consideró este uno de los períodos más inspiradores, durante el cual no solo desarrolló una relación con Rutherford. En ese momento, Thomson habló muy bien de su capacidad de investigación. lo que animó enormemente a Compton y le hizo tener más confianza en sus propias opiniones. La relación amistosa entre Compton y Thomson continuó hasta el final de su vida. Mientras estaba en Cambridge, debido al dispositivo de rayos X de alto voltaje inadecuado, Compton cambió a. Experimentos de dispersión de rayos gamma Este experimento no solo confirmó los primeros resultados de la investigación de otros científicos de T A Gray, sino que también proporcionó a Compton más investigaciones sobre los experimentos de dispersión de rayos X. Compton regresó más tarde a los Estados Unidos en 1920 como Wayman Crow. Compton, profesor y presidente del Departamento de Física de la Universidad de Washington en St. Louis, donde hizo su mayor descubrimiento en ese momento, proyectó rayos X desde un objetivo de molibdeno sobre grafito para observar los rayos X dispersos.
Descubrió que contenía dos componentes de diferentes frecuencias, uno con la misma frecuencia (o longitud de onda) que los rayos X originales y otro con una frecuencia menor que los rayos X originales. Este cambio de frecuencia tiene cierta relación con el ángulo de dispersión. El primer componente que no cambia la frecuencia puede explicarse mediante la teoría ondulatoria habitual, ya que según la teoría ondulatoria la dispersión de la luz no cambia la frecuencia de la luz incidente. Pero el segundo componente, menos frecuente, que aparece en el experimento es desconcertante y no puede explicarse mediante conceptos clásicos. Ante los hechos observados en este experimento, Compton propuso su propia explicación en 1923. Creía que este fenómeno era causado por la colisión de cuantos de luz y electrones. Los cuantos de luz no sólo tienen energía, sino también un cierto impulso similar al significado mecánico. Durante la colisión, el fotón transfiere parte de su energía al electrón, reduciendo su energía y, por tanto, su frecuencia. Además, a partir de la conservación de la energía y el impulso de las partículas en colisión, se puede deducir la dependencia de los cambios de frecuencia y los ángulos de dispersión, lo que puede explicar bien los hechos observados por Compton. Por lo tanto, hay que admitir que, además de las conocidas fluctuaciones, la luz también tiene propiedades de partículas. Esto muestra que un haz de luz está compuesto por varias partículas separadas entre sí, y estas partículas tienen el efecto Compton en muchos aspectos.
Las superficies presentan las mismas propiedades que las partículas de materia ordinaria. La investigación científica de Compton ha sido publicada en numerosas revistas. En 1926, escribió un libro "Rayos X y electrones" basado en sus artículos publicados. En 1923, Compton aceptó el puesto de profesor de física en la Universidad de Chicago (cargo que ocupaba R.A. Millikan) y trabajó con Michelson. Aquí llamó a su primer estudio el "Efecto Compton". Gracias a una serie de experimentos y explicaciones teóricas del efecto Compton, compartió el Premio Nobel de Física de 1927 con el británico A.T.R. En ese momento sólo tenía 35 años. Ese mismo año, fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias y se convirtió en profesor C H Swift en 1929. Desde 65438 hasta 0930, Compton cambió su interés principal del estudio de los rayos X al estudio de los rayos cósmicos. Esto se debe a que la interacción entre los rayos gamma de alta energía y los electrones de los rayos cósmicos es un aspecto importante del efecto Compton (hoy en día, el efecto Compton inverso de la interacción entre electrones de alta energía y fotones de baja energía es un tema de investigación importante en astrofísica). Durante la Segunda Guerra Mundial, muchos físicos estaban preocupados por el "problema del uranio" y Compton no fue la excepción. El 6 de octubre de 1941l 65438+, Compton, como presidente del Comité de Uranio de la Academia Nacional de Ciencias, publicó un informe sobre el potencial militar de la energía atómica que condujo al desarrollo de los reactores nucleares y la bomba atómica. Lawrence descubrió el plutonio en la Universidad de California, y pronto el Laboratorio Metalúrgico de Manhattan fue responsable de la producción de plutonio, con estos aspectos liderados en gran medida por Compton y Lawrence. El primer reactor nuclear de cadena de Fermi también recibió el apoyo y el aliento de Compton. Al final de la guerra, Compton aceptó el cargo de presidente de la Universidad de Washington en St. Louis. Fue en esta escuela donde hizo el mayor descubrimiento físico hace 25 años: el "efecto Compton". En 1954, Compton alcanzó la edad para retirarse del liderazgo administrativo de la universidad. Después de su jubilación, continuó dando conferencias, enseñando y escribiendo libros. Durante este período publicó el libro "La exploración del átomo". Esta es una obra maestra, una colección completa y sistemática de los resultados de la investigación de todos los colegas del Proyecto Manhattan durante la guerra. Compton fue uno de los científicos más grandes del mundo. Su descubrimiento del efecto Compton fue fundamental para el desarrollo de la física cuántica. Este descubrimiento le valió un lugar indiscutible entre los grandes científicos.