Por que é necessário usar raios X ou raios gamma 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:
De
onde

é o comprimento de onda de Compton do elétron, cerca de , e é o ângulo de espalhamento.

Passo 4

Para a gente detectar essa mudança De, ela tem que ser comparável ao próprio do fóton.
  • Se o fóton for de luz visível, .
  • Mas , então í
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.

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