Por que é necessário usar raios X ou raios
para se observar o efeito Compton, ou seja, por que os fótons devem ter energias ou momentos lineares ou ambos os quânticos tão elevados, nos laboratórios?
Passo 1
Beleza, a pergunta é: “Por que só rola observar o efeito Compton usando raios X ou raios γ, ou seja, por que os fótons têm que ter energias (ou momentos) tão altas nos laboratórios?” O conteúdo que vamos usar é física quântica básica de espalhamento de fótons em elétrons livres. Precisamos lembrar:
- Do conceito de comprimento de onda de De Broglie e da constante de Planck
. - Do comprimento de onda de Compton do elétron
. - Da fórmula do deslocamento de Compton
.
Passo 2
Primeiro, liga no que é o efeito Compton: um fóton de comprimento de onda
bate num elétron “livre” (livre = desprezamos a força de ligação ao átomo) e é espalhado. Nesse choque, o fóton sai com comprimento de onda
diferente de
(quase como duas bolinhas trocando energia), e o elétron sai com um “recoque” de energia cinética.
Passo 3
A teoria nos dá a famosa fórmula do deslocamento de comprimento de onda:
onde
é o comprimento de onda de Compton do elétron, cerca de , e
é o ângulo de espalhamento.
é o comprimento de onda de Compton do elétron, cerca de
Passo 4
Para a gente detectar essa mudança
, ela tem que ser comparável ao próprio
do fóton.
- Se o fóton for de luz visível,
. - Mas
, então
Esse deslocamento é “microscópico” demais, fica enterrado no ruído do experimento.
Além disso, em energias baixas, os elétrons estão presos ao átomo e dominam outros tipos de espalhamento (Rayleigh, Thomson), que mascaram totalmente o Compton.
Passo 5
Agora, se usamos fótons de raios X ou γ, a
deles é na casa de
a
. Aí
e
vira um valor da mesma ordem de
. Isso gera uma mudança mensurável no comprimento de onda do fóton espalhado e no recoil do elétron, tornando o efeito Compton claríssimo nos detectores.
Resposta
Temos que usar raios X ou γ porque só assim o comprimento de onda do fóton fica da ordem do comprimento de onda de Compton do elétron (
). Assim o deslocamento
fica grande o suficiente para ser medido e não se perde em outros processos de espalhamento.