Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Efecto Compton


El efecto Compton, descubierto en 1923 por el físico Arthur H. Compton, es un fenómeno que demuestra las propiedades de partícula de la radiación electromagnética. Este efecto jugó un papel importante en el establecimiento de la mecánica cuántica porque desafía la teoría clásica de ondas de la luz.

Introducción

El efecto Compton describe cómo los rayos X se dispersan de partículas como electrones, resultando en un cambio en la longitud de onda de los rayos X. Esta dispersión es diferente de la dispersión de Rayleigh, donde la longitud de onda permanece sin cambios. El experimento de Compton proporcionó evidencia sólida de la naturaleza corpuscular de la luz, llevando al concepto de que la luz puede actuar tanto como una onda como una partícula.

Antecedentes conceptuales

Antes de discutir el efecto Compton, es necesario entender algunos conceptos básicos de la física moderna. La luz exhibe tanto propiedades de onda como de partícula. El aspecto de partícula de la luz se describe por los fotones, que son paquetes de energía.

De acuerdo con la teoría cuántica, la energía de cada fotón se da por la ecuación de Planck:

E = hf

Dónde:

  • E es la energía del fotón.
  • h es la constante de Planck (aproximadamente 6.626 x 10^-34 J s).
  • f es la frecuencia de la onda electromagnética.

Esta ecuación implica que la energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia.

El experimento de Compton

El experimento de Compton involucró dirigir rayos X monocromáticos a un blanco de electrones libres. Él midió la longitud de onda de los rayos X dispersos en diferentes ángulos y encontró que la longitud de onda aumentó desde su valor original.

Este fenómeno muestra que los fotones del rayo X transfieren parte de su energía a los electrones, una situación similar a dos bolas de billar chocando e intercambiando energía.

Configuración del experimento

En un experimento típico de dispersión Compton, los rayos X se dirigen a un objetivo hecho de un elemento ligero como el grafito. Un detector se dispone para capturar los rayos X dispersos en diferentes ángulos.

 /  /  / ________/ Objetivo

Las observaciones clave fueron las siguientes:

  • La longitud de onda de los rayos X dispersos era más larga que la de los rayos X incidentes.
  • El cambio en la longitud de onda del rayo X dependía del ángulo de dispersión.
  • Algunos de los rayos X fueron dispersados sin ningún cambio en la longitud de onda.

Observaciones clave e implicaciones

El experimento de Compton mostró que los rayos X dispersos desde los electrones tienen una mayor longitud de onda después de la colisión que antes. Este cambio en la longitud de onda (Δλ), conocido como el desplazamiento Compton, puede predecirse mediante la siguiente ecuación:

Δλ = (h/mc) * (1 - cos θ)

Dónde:

  • Δλ es el cambio en la longitud de onda.
  • h es la constante de Planck.
  • m es la masa en reposo del electrón (aproximadamente 9.109 x 10^-31 kg).
  • c es la velocidad de la luz (aproximadamente 3.00 x 10^8 m/s).
  • θ es el ángulo en el que los rayos X se dispersan.

Las implicaciones del efecto Compton son profundas, sugiriendo que las ondas electromagnéticas pueden exhibir tanto comportamiento de onda como de partícula.

Representaciones visuales

Considere un fotón de luz como una bola de billar colisionando con otra bola de billar estacionaria (electrón). Antes de la colisión:

Fotón ---> Electrón

Después de la colisión, tanto el fotón como el electrón se alejan en diferentes ángulos, haciendo que el fotón pierda parte de su energía:

Electrón | / Fotón / /

La dispersión de fotones resulta en un cambio de energía debido a intercambio de momento:

Inicial: E_photon = hf Final: E'_photon = hf' => f' < f => λ' > λ

Explicación detallada de ecuaciones

Desplazamiento en la longitud de onda de Compton

El desplazamiento en la longitud de onda de Compton se determina mediante el cambio en energía y momento del fotón debido a la colisión con el electrón. Se da por la fórmula:

Δλ = λ' - λ = (h/mc) * (1 - cos θ)

Dónde λ' es la longitud de onda después de la dispersión, y λ es la longitud de onda original.

Leyes de conservación

La conservación de la energía y la conservación del momento son conceptos importantes en el efecto Compton. Considere un fotón colisionando con un electrón estacionario.

Antes de la colisión:

  • Energía = energía del fotón + energía del electrón = hf + mc²
  • Momento = Momento del fotón = hf/c

Después de la colisión:

  • Energía = Energía del fotón disperso + Energía del electrón = hf' + (mc²+KE) (donde KE es la energía cinética del electrón)
  • momento = momento combinado del fotón y el electrón

Explicación matemática

Aplicando la ley de conservación de energía antes y después de la colisión, obtenemos:

hf = hf' + KE

Mediante la conservación del momento en las direcciones x e y, obtenemos:

p_photon_x = p_photon'_x + p_electron_x p_photon_y = p_photon'_y + p_electron_y

Después de desarrollar estas ecuaciones, se derivó el desplazamiento de Compton para proporcionar los cambios observados en la longitud de onda durante la dispersión de rayos X.

Conclusión

El efecto Compton es un experimento fundamental en la física moderna, que demuestra la naturaleza corpuscular de la luz y juega un papel clave en el establecimiento de la mecánica cuántica. La comprensión obtenida del efecto Compton ayuda a explicar otros fenómenos cuánticos y apoya la naturaleza dual de la luz como una onda y una partícula.

El descubrimiento de Compton de los desplazamientos de longitud de onda en los fotones de rayos X dispersos no solo desafió la física clásica, sino que también abrió la puerta al desarrollo de tecnologías avanzadas y conocimientos sobre procesos de pensamiento cuántico y la naturaleza del mundo microscópico.

En conclusión, el efecto Compton no se trata solo de la colisión de fotones y electrones; representa un cambio de paradigma en la comprensión que ha dado paso a una nueva era de la física, donde las ondas y las partículas coexisten y redefinen los límites de nuestro conocimiento del universo.


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