Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Dispersión Compton


La dispersión Compton es un concepto fundamental en la mecánica cuántica que demuestra la dualidad onda-partícula de la radiación electromagnética, en particular los rayos X y los rayos gamma. Nombrada en honor a Arthur H. Compton, quien descubrió el fenómeno en 1923, la dispersión Compton muestra la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, proporcionando evidencia de la naturaleza corpuscular de la luz.

Antecedentes históricos

A principios del siglo XX, la naturaleza ondulatoria de la luz estaba bien establecida a través de experimentos como el experimento de la doble rendija de Young y la interferencia y difracción de la luz. Sin embargo, el descubrimiento del efecto fotoeléctrico por parte de Albert Einstein, donde se demostró que la luz expulsaba electrones de superficies metálicas, sugería que la luz también se comportaba como una partícula. La dispersión Compton demostró aún más este comportamiento de partícula, proporcionando un soporte adicional para el concepto de dualidad onda-partícula.

¿Qué es la dispersión Compton?

La dispersión Compton es la dispersión inelástica de un fotón, típicamente un fotón de rayos X o rayos gamma, por un objetivo, típicamente un electrón. Durante este proceso de dispersión, el fotón transfiere parte de su energía al electrón, resultando en un cambio en la longitud de onda y dirección del fotón. Este cambio en la longitud de onda se conoce como el desplazamiento Compton.

Comprendiendo el Efecto Compton

Antes de profundizar más, comencemos con una simple analogía. Imagina que una bola de billar, que representa un fotón, colisiona con otra bola de billar, que representa un electrón. Después de la colisión, ambas bolas revierten su dirección, y el fotón (la bola de billar) pierde parte de su energía al electrón (otra bola de billar). En la dispersión Compton, el fotón, como la bola de billar, también pierde energía, resultando en un aumento en la longitud de onda de la luz. La longitud de onda del fotón después de la colisión es más larga que su longitud de onda original.

Representación matemática

El cambio en la longitud de onda (desplazamiento Compton) puede calcularse usando la ecuación de Compton:

Δλ = λ' - λ = (h / (m_e * c)) * (1 - cos θ)

Dónde:

  • Δλ es el cambio en la longitud de onda.
  • λ' es la longitud de onda después de la dispersión.
  • λ es la longitud de onda inicial antes de la dispersión.
  • h es la constante de Planck (~6.626 x 10 -34 J s).
  • m_e es la masa en reposo del electrón (~9.109 x 10 -31 kg).
  • c es la velocidad de la luz en el vacío (~3 x 10 8 m / s).
  • θ es el ángulo en el que se dispersa el fotón.

Dualidad onda-partícula

La dualidad onda-partícula es un principio central de la mecánica cuántica, que propone que cada partícula o entidad cuántica exhibe propiedades tanto de ondas como de partículas. En el contexto de la dispersión Compton, este principio se ilustra por el hecho de que la radiación electromagnética (tradicionalmente descrita como ondas) también puede exhibir propiedades de partículas, como la transferencia de momento y energía.

Naturaleza ondulatoria vs naturaleza de partícula

Experimentos anteriores como la difracción y la interferencia destacaron las propiedades ondulatorias de la luz. Sin embargo, fenómenos como el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton enfatizan las propiedades de partícula de la luz al demostrar la cuantización de la energía.

Representación visual

Imaginemos el proceso de dispersión Compton:

Fotón entrante Electrón Fotones dispersos Electrón de retroceso

Ejemplos de dispersión Compton

Ahora, veamos algunos ejemplos de texto para obtener una visión más profunda sobre la importancia de la dispersión Compton:

Ejemplo 1: Experimento de dispersión de rayos X

Supongamos que realizamos un experimento usando rayos X con una longitud de onda inicial de 0.1 nm, dirigidos a un objetivo que contiene electrones libres. Cuando estos rayos X se dispersan en un ángulo de 90°, el desplazamiento de longitud de onda se calcula utilizando la ecuación de Compton:

Δλ = (6.626 x 10^-34 Js) / ((9.109 x 10^-31 kg) * (3 x 10^8 m/s)) * (1 - cos 90°)

El Δλ resultante de este cálculo es aproximadamente 0.00243 nm.

Ejemplo 2: Dispersión de rayos gamma

Consideremos rayos gamma con una longitud de onda de 0.01 nm que inciden sobre una superficie metálica, donde se dispersan en un ángulo de 45°. El desplazamiento de longitud de onda se calcula de manera similar:

Δλ = (6.626 x 10^-34 Js) / ((9.109 x 10^-31 kg) * (3 x 10^8 m/s)) * (1 - cos 45°)

Aquí, el Δλ calculado es aproximadamente 0.00172 nm.

Implicaciones y aplicaciones

La dispersión Compton tiene importantes implicaciones en una variedad de áreas de la ciencia y la tecnología, incluyendo:

Atención médica

En la imagen médica, especialmente en el campo de la tecnología de rayos X y la terapia de radiación, comprender la dispersión Compton ayuda a diseñar mejores herramientas de diagnóstico y métodos de tratamiento. Los efectos de dispersión deben considerarse para optimizar la calidad de la imagen y minimizar la exposición a la radiación del paciente.

Astrofísica

La dispersión Compton juega un papel importante en la astrofísica, donde ayuda a explicar el comportamiento de los rayos cósmicos X y gamma al interactuar con la materia en el espacio. Este entendimiento permite a los investigadores inferir las propiedades de los objetos celestes y las condiciones del medio interestelar.

Conclusión

La dispersión Compton es un pilar de la física moderna, ilustrando la dualidad onda-partícula de la radiación electromagnética. Al investigar el intercambio de energía y momento entre fotones y electrones, enriquece nuestra percepción del mundo microscópico. Más allá de su importancia teórica, la dispersión Compton impacta aplicaciones prácticas que van desde la imagen médica hasta la astrofísica, subrayando su continua importancia en la exploración científica y la innovación tecnológica.


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