Uno de los fenómenos que marcaría la pauta dentro de los experimentos de la física moderna lo constituye el presentado por el físico norteamericano A. H. Compton, quién recibió el premio Nobel de Física en 1927, precisamente debido al experimento que reporto en Phys. Rev, 22, 409 (1923).
Arthur H. Compton
Descripción:
Cuando la luz colisiona con la corteza de un átomo, más concretamente con un electrón de la misma, se desvía y su frecuencia ondulatoria es alterada. El modo en que esta frecuencia cambiaba era algo completamente desconocido a principios del siglo XX, hasta que a Arthur Compton se le ocurrió intentar calcularlo combinando las ecuaciones de Einstein con las de Planck del siguiente modo:
Al hacer esto, Compton asumió que la luz era a la vez una onda y una partícula, el fotón, y que su energía se podía obtener a partir de cualquiera de sus dos naturalezas.
Si consideramos el choque del fotón con el electrón:
vemos que la trayectoria del electrón se desvía un ángulo dado “α”, perfectamente medible en el laboratorio, alterando su frecuencia y por tanto su longitud de onda en una cantidad también medible. Asimismo, Compton también disponía del valor teórico de la masa del electrón y de la longitud de onda inicial del haz de luz.
Con estos datos, es posible analizar el problema como un choque relativista de partículas y después analizar los resultados ondulatorios con la energía resultante.
Así pues, enfocaremos el problema como un choque elemental, con la conservación del cuadrimomento relativista, que incluye en él la conservación de la masa, la de la energía y la del momento lineal. Denotaremos por “p” al momento lineal inicial del fotón incidente, a “me” la masa del electrón, a “p’” al momento del fotón tras el choque, y “pe” al momento del electrón tras el choque.
Si recordamos que el cuadrimomento de una partícula se definía como:
tendremos:
Si consideramos las componentes vectoriales del cuadrimomento, podemos obtener el módulo cuadrado del momento del electrón en función de los momentos del fotón antes y después del choque:
Si ahora igualamos las primeras componentes del cuadrimomento, cambiamos los módulos del momento por su energía de Planck asociada y simplificamos la ecuación obtenemos:
Ahora, si nos remitimos a Planck, la frecuencia puede ser cambiada por la inversa de la longitud de onda entre la velocidad de la luz. Asimismo, como estamos en el sistema de unidades en el que la velocidad de la luz vale 1:
Y si aplicamos esto en la ecuación obtenida:
Este desfase en la longitud de onda de la luz en función del ángulo de desviación del fotón pudo ser comprobado experimentalmente montones de veces con exitosos resultados, por lo que desde entonces se asume como correcto.
La conclusión, como veníamos anunciando, es que la luz es a la vez una onda y una partícula (dualidad onda corpúsculo), pues posee propiedades de ambas.
