Efecto Compton, Creación de pares y Efecto fotoeléctrico

EFECTO COMPTON, CREACIÓN DE PARES Y EFECTO FOTOELÉCTRICO
Por: Kenia María Rodríguez Camaño
Estudiante de Física, Universidad de Panamá

Al estudiar Física Moderna, usted se debió preguntar alguna vez ¿qué son fotones? ¿La luz se comporta como onda o partícula? ¿Cómo interactúa la radiación electromagnética con electrones libres? ¿Qué sucede con la radiación que ingresa a una región donde hay electrones libres?
A estas preguntas surgen respuestas con experimentos comprobados que plantaron ecuaciones reconocidas y de suma importancia al entrar al mundo de la Cuántica.
La radiación electromagnética interactúa con electrones libres, y esto se puede explicar gracias al aporte del físico Arthur Compton (1923), "Efecto Compton", donde hace conocer que la luz puede comportarse como partícula siendo esa la clave para la Cuántica al referirnos a la "dualidad onda corpúsculo".
A los fotones se le conoce como cuantos de energía, los cuales forman lo que conocemos como radiación electromagnética. Cuando la radiación electromagnética ingresa a una región donde hay electrones libres ocurre lo que conocemos como "Efecto Compton".
El Efecto Compton básicamente trata de una colisión la cual consta de una entrada y dos salidas; es decir, que si un fotón choca con un electrón (entrada), el resultado es un fotón con un ángulo de dispersión y un electrón que se moverá con otro ángulo(salida), así como se puede observar en la figura N°1.

Es necesario tener presente que la longitud de onda del fotón dispersado será mayor que el del fotón incidente y varía en su energíaE=hν dependiendo del ángulo de dispersión(θ) ; también hay que tener presente que como el fotón incidente y el fotón dispersado poseen momento lineal y energía, se debe aplicar la conservación de momento y energía.
La diferencia entre las longitudes de onda incidente y dispersada está determinada por el ángulo de dispersión:
λ' - λ=λc(1-cosθ), λc= hcmec2

Pero, ¿Solo se da el caso de que un fotón choque con un electrón y ambos cambien de camino? ¿O puede haber otro caso? A esta pregunta surge el caso del "Efecto Fotoeléctrico", el cual pone de manifiesto más claramente el comportamiento corpuscular de la luz y es Albert Einstein quien publicó sus trabajos referentes a este tema y fue galardonado con el premio Nobel de Física de 1921.
Para el caso del efecto fotoeléctrico imagine que hay un átomo, el cual sabemos que está compuesto de un núcleo (neutrones y positrones) y hay electrones orbitando a su alrededor; entonces un fotón con energía: E= hν, choca con ese átomo, donde un electrón absorbe la energía total del fotón (fotoelectrón), si la energía del fotoelectrón (Kmax) supera la energía de ligamiento entre el fotón y el electrón (Función de trabajo, ϕ), se libera el electrón (fotoelectrón). Observe la figura N°2.

La energía máxima del fotoelectrón es la energía del fotón incidente menos la energía de ligamiento entre el fotón y el electrón:
Kmax=hν- ϕ
En resumidas palabras, se puede decir que fotón incide sobre un electrón, el electrón absorbe toda la energía del fotón, se convierte en un fotoelectrón y es liberado.

Ya conocemos dos casos en los que interactúan un fotón y un electrón. Parece que en el primer caso el fotón continúa existiendo, en el segundo caso el fotón se une al electrón, pero, ¿Podría darse el caso que el fotón desaparezca? Para esto le exhorto a seguir leyendo el siguiente caso que es muy interesante, "Creación de Pares".
En la creación de pares, un fotón de alta energía incide sobre un átomo, estando allí, éste desaparece y se crea un par positrón-electrón. Hay que tener presente que esto solo se puede dar si la energía del fotón es mayor que la suma de las masas de los pares.

Como se muestra en la figura N°3, el fotón incide sobre el átomo y como resultado se obtiene el par electrón-positrón; esto ocurre solo para todo fotón que su energía sea mayor a 1,02 MeV. Por conservación de la energía, la energía del fotón es igual al doble de la energía más las energías cinéticas del positrón y del electrón (E++ E-), esto se puede representar de esta manera:
hν=2moc2+E++ E-

En resumidas palabras, se puede decir que en los tres casos un fotón interactúa con un electrón, donde puede darse el caso que por el choque ambos tomen diferentes direcciones (Efecto Compton); o que el fotón se una con el electrón y sea liberado (Efecto Fotoeléctrico) o que de un fotón que interactúe en un átomo, surja un electrón y un positrón (Creación de Pares).

Por: Kenia M. Rodríguez C.