Efecto Compton

Efecto Compton

Arthur Holly Compton

El físico estadounidense Arthur Holly Compton fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1927 por su descubrimiento del efecto físico que lleva su nombre. El efecto Compton permitió confirmar que la radiación electromagnética tiene propiedades tanto de onda como de partícula.

Efecto Compton, difusión de fotones debida a las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia. Este efecto fue descubierto por el físico estadounidense Arthur Holly Compton en 1922, durante su estudio de la difusión de los rayos X por el grafito. Como reconocimiento a sus trabajos, Compton recibió el Premio Nobel en 1927.

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DESCRIPCIÓN

En el efecto Compton, un fotón de rayos X o rayos gamma, de longitud de onda λ, colisiona con un electrón libre de la materia provocando la emisión de un electrón llamado “de retroceso” y de un fotón de longitud de onda λ′, superior a la longitud de onda λ. El fotón difundido pasa a propagarse en una dirección que forma un ángulo φ con la dirección de propagación del fotón inicial. Al ser la longitud de onda λ′ superior a la longitud de onda λ, la energía del fotón difundido es inferior a la del fotón incidente.

Se cumple la relación λ′-λ = λ_c(1-cos φ), donde λ_c es igual a la constante de Planck dividida por la masa del electrón y la velocidad de la luz. Su valor numérico es de 0,2426 nanómetros.

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CONSECUENCIAS Y APLICACIONES

El efecto Compton, que no se podía explicar mediante la teoría ondulatoria clásica de la radiación electromagnética, constituyó en la época de su descubrimiento una prueba experimental de la existencia de los fotones. Intuitivamente, el fenómeno puede compararse con la trayectoria de una bola de billar que golpea a otra bola inmóvil. El efecto conlleva una disminución de energía (aumento de la longitud de onda) y un ensanchamiento de la radiación (que corresponde a la distribución de los ángulos de salida). También provoca una agitación anómala de los electrones de la materia atravesada.

El efecto Compton permite medir la intensidad de los rayos gamma, lo que resulta de gran utilidad en física de partículas. Otra consecuencia práctica del efecto Compton, esta vez negativa, es que provoca en las radiografías un ensombrecimiento de la imagen debido a la degradación de los rayos X y a la emisión de electrones parásitos.

Tubo de rayos catódicos

Tubo de rayos catódicos

Tubos de rayos catódicos

En la ilustración puede verse (arriba) el tubo de rayos catódicos construido por el físico alemán Ferdinand Braun en 1897; tiene una fuente de electrones a la izquierda y dos placas metálicas empleadas para desviar el haz de electrones. El primer tubo de televisión en color (abajo) fue construido en 1953. Cuenta con tres fuentes de haces de electrones, una para cada color: azul, verde y rojo.

Tubo de rayos catódicos, tubo electrónico o contenedor de vidrio al vacío, que en un extremo tiene un cátodo o electrodo negativo y un dispositivo de cañón (o disparador) de electrones que proyecta un haz de electrones contra una pantalla luminiscente situada en el extremo opuesto del tubo. Cada vez que los electrones golpean la pantalla, aparece una mancha brillante de luz. Los tubos de rayos catódicos se utilizan como tubos de imagen en los receptores de televisión y como pantallas de presentación visual en equipos de radar, instalaciones informáticas y osciloscopios.

Los electrones son emitidos por un cátodo de caldeo indirecto situado en el cañón de electrones. Una serie de rejillas de potencial positivo con respecto al cátodo aceleran los electrones a medida que éstos pasan a través de ellas. A continuación, los electrones atraviesan una serie de ánodos en forma de rosquilla que dirigen la corriente de electrones para que golpeen sobre la pantalla luminiscente como finas punzadas. Entre el cañón de electrones y la pantalla existen dos conjuntos de placas deflectoras eléctricas, o bien dos conjuntos de bobinas deflectoras magnéticas. Las placas deflectoras eléctricas se utilizan en los tubos catódicos pequeños, mientras que las bobinas deflectoras magnéticas se emplean en los tubos catódicos grandes, ya que en éstos se requiere una deflexión amplia, por ejemplo en los tubos de televisión.

En los tubos catódicos que contienen placas deflectoras eléctricas, un par horizontal de placas controla el movimiento del haz de electrones hacia arriba y hacia abajo, mientras que un par vertical controla el movimiento del haz de izquierda a derecha. En cada par de placas, una de ellas tiene una carga de electricidad negativa y la otra una carga positiva. Si las cargas son de idéntico valor, el haz golpeará el centro de la pantalla luminiscente. Si las cargas no son iguales, el haz de electrones será desviado. El grado de deflexión dependerá de la tensión aplicada a las placas. A medida que varíe la señal aplicada a las placas horizontales, variará la mancha de luz sobre la superficie del tubo, que se moverá hacia arriba o hacia abajo, según los cambios de tensión. Si varía la tensión de las placas verticales, el haz de electrones se moverá horizontalmente en la superficie del tubo.

Las bobinas deflectoras magnéticas funcionan de manera similar, con la diferencia de que el haz de electrones es desviado por las variaciones en la potencia de los campos magnéticos que atraviesa.

Rayos catódicos

Rayos catódicos

Tubo de Crookes

El químico y físico británico sir William Crookes construyó en la década de 1870 el llamado tubo de Crookes, antecesor del tubo de imágenes de la moderna televisión, para investigar las propiedades de los rayos catódicos. Al hacer el vacío en el tubo y aplicarle una tensión alta, uno de los extremos del tubo se pone incandescente debido a los rayos catódicos que golpean contra el cristal. Crookes colocó dentro de este dispositivo pequeños objetos, y descubrió que proyectaban sombras en el resplandor del extremo del tubo. De ahí pudo inferir que los rayos catódicos, que hoy se sabe que son electrones, viajan en línea recta.

Rayos catódicos, electrones de alta velocidad emitidos por el electrodo negativo de un tubo de vacío al ser atravesado por una corriente eléctrica. Los rayos catódicos se generaron por primera vez utilizando el tubo de Crookes, invento del físico británico William Crookes. En 1895, mientras trabajaba en investigación, el físico alemán Wilhelm Roentgen descubrió casualmente que los rayos catódicos que golpeaban una placa metálica generaban rayos X. Los rayos catódicos pueden ser desviados y enfocados por campos magnéticos o eléctricos. Estas propiedades se utilizan en el microscopio electrónico, en el osciloscopio de rayos catódicos y en el tubo de imagen de los receptores de televisión.