Espalhamento Compton

O debate na ciência sobre a natureza da luz (onda ou partícula) era uma das principais questões consideradas no inicio do século XX. Em 1905, Einstein deu a explicação para o efeito fotoelétrico, na qual introduziu o conceito de fóton (partícula que constitui a luz), sendo que este é absorvido por um elétron em uma chapa metálica, podendo fornecer a energia necessária para “expulsar” o elétron da superfície de metal. Para o efeito fotoelétrico, foi demonstrado, para a luz, o comportamento corpuscular da matéria (natureza de partícula), diferenciando-se do comportamento ondulatório exibido na experiência da fenda dupla de Young.

Em 1923 o conceito do espalhamento Compton foi proposto pelo físico Arthur Holly Compton para explicar o espalhamento de raios X, causados por elétrons. O cientista considerou os fótons como partículas, as quais atingem um elétron (em um tipo de colisão inelástica), transferindo parte de sua energia para o elétron, o fazendo recuar, ao passo que outro fóton, de menor energia, maior comprimento de onda e menor frequência, seria reemitido. No eletromagnetismo clássico, a interpretação física do fenômeno pode ser entendida como uma onda de frequência f, a qual é absorvida por uma carga elétrica, sendo que esta irá oscilar com a frequência f e, depois, irradiar ondas (fótons) de mesma frequência f.

A variação do comprimento de onda é chamada de comprimento de onda Compton e quantifica o quanto o comprimento de onda do fóton variou (comparando o fóton incidente do espalhado).

O modelo do espalhamento de Compton só pode ser aplicado eficientemente para elétrons considerados livres ou aproximadamente livres (como quando a energia da radiação incidente é muito maior do que as energias de ionização dos átomos, que é, de forma simples, a energia que “prende” o elétron ao átomo).

A interação entre a luz e matéria trata-se de um único fenômeno (luz interagindo com a matéria), o qual varia em sua discrição dependendo do nível de energia em questão. Para fenômenos envolvendo altas energias, a chamada “produção de par” é considerada; para energias intermediárias são aplicados o espalhamento de Compton e o de Thomson. Finalmente, para baixas energias, o efeito fotoelétrico é aplicado.

A explicação do espalhamento Compton rendeu ao cientista o prêmio Nobel de física no ano de 1927. O espalhamento Compton foi um grande avanço para a ciência pois demonstrou, assim como no efeito fotoelétrico, que a luz pode demonstrar um comportamento corpuscular. Em 1924 Louis de Broglie propôs a “hipótese de de Broglie”, na qual generalizou o comportamento dual (onda-partícula) para a matéria.

Fotos 1 e 2: esquematização do espalhamento Compton Foto 3: experimento realizado por Compton Fotos 4 a 8: demonstração da equação de Compton

Material de referência:

Física para cientistas e engenheiros volume 3 (Paul A. Tipler e Gene Mosca)

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/compton.html?fbclid=IwAR0BRujoUvWpJ0SA0ZpB9Q754ceHtTO_eXhtYBZQE_df4NIZcH8o5j0KSHA#c1