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Efecto Compton

El efecto Compton es el nombre dado a la colisión entre un fotón y un electrón. El fotón rebota en un electrón objetivo y pierde energía. Estas colisiones denominadas elásticas compiten con el efecto fotoeléctrico cuando los rayos gamma atraviesan la materia.

El efecto fue descubierto en 1922 por el físico amercano Arthur H. Compton. Compton recibió el Premio Nobel de Física en 1927. Demostró la naturaleza de las partículas de la radiación electromagnética. Fue un descubrimiento sensacional en el momento.
Colisión entre un fotón y un electrón atómico:
El efecto Compton se produce para la mayoría de los electrones atómicos. Un fotón gamma desempeña el papel de un proyectil que colisiona con un electrón en un átomo que sirve como objetivo. Gamma se representó como una partícula puntual debido a su longitud de onda muy corta a escala atómica. Como la gran mayoría de los electrones posee una energía más pequeña que la de gamma, los físicos están acostumbrados a descuidarlo y considerar el electrón como un objetivo en reposo. En la colisión, el electrón se pone en movimiento en un cierto ángulo, mientras que el gamma disperso con otro ángulo pierde su energía. Crédito: IN2P3.

Las colisiones de Compton se pueden ver como colisiones elásticas entre un fotón y un electrón. Estas colisiones elásticas se vuelven predominantes cuando la energía del fotón se hace grande en comparación con la energía que mantiene al electrón en un átomo, su energía de unión. Para un átomo de luz como el carbono, el efecto Compton prevalece sobre el efecto fotoeléctrico por encima de 20 keV. Para el cobre es superior a 130 keV y para el plomo 600 keV.

En este rango de energía gamma, que es bastante extendido, el fenómeno afecta a todos los electrones del átomo, mientras que en el efecto fotoeléctrico estos son los dos electrones de la capa de K más interna, que juegan un papel. Para un absorbente, la densidad de electrones es crucial en el rango donde domina el efecto Compton. El plomo también tiene una ventaja sobre los materiales más livianos, incluso si es menos importante que el efecto fotoeléctrico, que llegó a la cuarta potencia de la alta carga eléctrica de su núcleo.

Distribución de energía desigual:
La distribución de energía entre el fotón gamma y el electrón que ha servido como objetivo depende del ángulo de dispersión gamma. El caso más probable es aquel en el que el fotón no se dispersa y no pierde potencia. El caso más raro es aquel en el que la gamma rebota hacia atrás impulsando el electrón hacia adelante. En promedio, el fotón transfiere solo una pequeña porción de su energía al electrón y experimenta un cambio significativo en la dirección (los valores en la figura se han calculado para una energía de 500 keV). Crédito: IN2P3.

La gamma no se destruye en la colisión. El fotón que emerge con el electrón, llamado fotón "disperso", comparte la energía inicial con el electrón puesto en movimiento. El electrón pierde su energía por ionización como un electrón beta. La gamma dispersa se propaga a través del material sin depositar energía hasta que interactúa nuevamente.

El intercambio de energía es desigual. Depende del ángulo entre el fotón disperso y la gamma inicial. A pesar de su masa extremadamente ligera, el electrón es de hecho un objetivo pesado para un fotón que no tiene masa. Las leyes de la física que rigen el efecto Compton son tales como el fotón disperso transporta la mayor parte de la energía inicial: 96% en promedio a 50 keV, 83% a 500 keV.

El fotón disperso emerge generalmente en una dirección diferente que el fotón incidente. Incluso puede ir hacia atrás (retrodispersión). En promedio se dispersa con un ángulo de 30 a 45 grados. La gama de cientos de keV puede sufrir dispersión múltiple de Compton antes de ser absorbida por el efecto fotoeléctrico.

Cuando la energía gamma excede 1 MeV, que rara vez es el caso de los rayos gamma emitidos por los núcleos, la dispersión de Compton comienza a ser desafiada por un nuevo fenómeno: la transformación de una gamma en un electrón y su antipartícula, un positrón. Este fenómeno se vuelve prominente con la gamma de alta energía producida por ejemplo con aceleradores de partículas.

Este post pertenece a la serie "Partículas elementales", puedes ver todos los posts aquí


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