100 años de la particularidad de la luz. El efecto Compton

Arthur Compton, a finales de 1922, realizó una serie de experimentos de dispersión de rayos x en los que demostró que las radiaciones electromagnéticas podían comportarse como partículas o cuantos. La idea de que la luz podía mostrar propiedades corpusculares no era muy bien aceptada en esos tiempos. La teoría electromagnética predecía que no debería haber cambios en la longitud de onda, pero resultó que había que revisar todas las concepciones de la física conocida en la época, la física clásica, hacia una nueva teoría que diese cabida a los efectos inesperados, la cuantización espacial y las más precisas líneas de los espectros atómicos. La cosa se puso particularmente caliente e inesperada.

En sus experimentos con radiación x lanzó rayos x de una determinada longitud de onda desde un anticátodo de molibdeno y lo hizo incidir sobre un bloque de carbono. Puso una rendija a 90 grados, y un aparato para comprobar si eran detectados rayos x y recogerlos en un espectrómetro de Bragg para medir su longitud de onda. Comprobó con sorpresa que había un ligero aumento de la longitud de onda de la radiación que había sido desviada 90 grados y estableció que esta dependía del ángulo de desviación, de la masa del electrón, de la constante de Plank y de la velocidad de la luz.

Compton concluyó que cada rayo se comportaba como una partícula, un cuanto (todavía no se llamaban fotones) con una determinada energía y momento, y que en la colisión con los electrones externos del carbono, comunicaban parte de esta energía al electrón que retrocede y salían desviados un ángulo y con una longitud de onda mayor, por su pérdida de energía. Esta era la primera confirmación de que una onda de rayos x se comportaba como una partícula, confirmando la predicción hecha por Albert Einstein en el efecto fotoeléctrico. A este efecto en el que la luz se comporta como una partícula se le conoce ahora como efecto Compton o dispersión de Compton. La luz se dispersará en diferentes ángulos, no solo 90 grados, y de este ángulo dependerá el mayor aumento de la longitud de onda de la radiación. Los rayos que no son desviados (0 grados no sufrirán incremento de la longitud de onda).

Cuando la radiación choca con un electrón interior del átomo de carbono, este absorbe como un átomo el impacto, de forma elástica y vibra en consonancia para devolver la radiación sin desviarla y con la misma longitud de onda.

Compton's original experiment made use of molybdenum K-alpha x-rays, which have a wavelength of 0.0709 nm. Braggg scattering Compton — En el experimento original de Compton, los rayos x provenientes de un ánodo de molibdeno tenían una longitud de onda de 0.0709 nm. Estos eran desviados por un bloque de carbono y en un primer experimento observo a 90 grados el cambio en su longitud de onda que midió con un espectrómetro de Bragg. Este último consiste un bloque que puede rotar con un cristal de calcita del que se sabe sus propiedades de difracción y una cámara de ionización para la detección de los rayos x. Como se conoce la distancia de los planos que forman los átomos en la calcita se puede calcular con precisión la longitud de onda de la radiación incidente. Cortesía de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/compdat.html

El famoso artículo fue publicado en Physical Review en 1923 y se tituló Una teoría cuántica de la difracción de rayos x por elementos livianos. La explicación y el descubrimiento del efecto Compton le hicieron ganar el Nobel de física en 1927, hoy es reconocido como un gran hito en el desarrollo de la teoría cuántica en los años 20 del siglo XX.

Dio una prueba concluyente del concepto propuesto por Einstein de que el fotón con su energía y momento dirigido era esencialmente correcto. El mismo Einstein prestó una considerable atención al descubrimiento de Compton en sus seminarios en Berlin. Igualmente, fue tenido en cuenta en todos los centros europeos donde se estaba desarrollando con vigor la física teórica de mecánica cuántica. Gottinga, Copenague, Munich, Zurich, etc. que en los años 30 se verían arrasadas por el ‘florecimeinto’ destructivo de una física no judía y que pasaría el polo del conocimiento a otro continente más receptivo.

La gran síntesis de la mecánica cuántica

“La gran síntesis final de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica fue impuesta a la física por los experimentos cruciales del efecto Compton, la difracción de electrones, la cuantización del espacio y la existencia de líneas espectrales nítidas, que no pudieron alinearse con la teoría clásica. Requirió la forma relativista final de la mecánica cuántica, desarrollada por Paul Dirac, para dar una explicación completamente cuantitativa de la dispersión de Compton con respecto tanto a la intensidad como al estado de polarización mediante la fórmula derivada por O. Klein y Nishina de la teoría relativista de Dirac de el electrón” (DSB).»

‘A Quantum Theory of the Scattering of X-rays by Light Elements,’ pp. 483-502 in Physical Review, Second Series, Vol. 25, No. 5, May 1923.

Nota Anticátodo: m. Fís. Placa metálica en le intrior de un tubo electrónico que se interpone en la trayectoria de los rayos catódicos para detenerlos, originando en el choque rayos x.