Tema 2 - Interacción de fotones con la materia
Fernando Canales Melgarejo
1 Procesos de interacción fotón - materia
Estamos en concidiones de hacernos la siguiente pregunta: ¿Cuáles son los procesos posibles por los
que el campo electromagnético del fotón puede interaccionar con la materia?
Solo hablaremos de fotones cuya sección eficaz NO es despreciable.
En base a esto, tendremos fotones muy ligados o poco ligados:
• Fotones muy ligados: fotones con energı́a parecida a la energı́a de ligadura de los electrones.
• Fotones poco ligados: fotones con energı́a muy superiores a la energı́a de ligadura de los
electrones.
Este proceso de interacción puede dar lugar a procesos de dispersión sucesivos de orden menor (ra-
diación secundaria, radiación terciaria,...) lo que dificulta la descripción del mismo.
Como no se pueden aplicar principios primarios, aplicaremos unos coeficientes que nos permitirán
caracterizar la interacción entre fotones y materia.
Los procesos pueden dividirse en función de su importancia:
• Muy importantes: Compton, fotoeléctrico y producción de pares.
1
, • Importantes: Rayleigh.
• Poco imporantes: Thomson y Fotodesintegración.
2 Dispersión Thomson
El efecto Thomson de dispersión de partı́culas se refiere al fenómeno en el cual ondas electromagnéticas
(como la luz) interactúan con partı́culas cargadas, especialmente electrones libres, provocando una
redistribución de la energı́a de la onda sin cambio en su longitud de onda. Este fenómeno fue descrito
por Joseph John Thomson y es una forma especial de dispersión elástica.
Se describe clásicamente como un proceso de absorción resonante. El fotón incidente obliga al e− a
vibrar en su misma frecuencia de tal forma que un fotón de la misma energı́a es reemitido. Es, por lo
tanto, un proceso coherente (no existe transferencia de energı́a a los e− y no depende de la energı́a).
Tendremos que:
de σT h r2
= e (1 + cos2 θ) (1)
dΩ 2
Z
de σT h 8π 2
e σT h = = r = 0.665b (2)
dΩ 3 e
El fotón interactúa con un electrón cuasilibre y el resto de electrones y el núcleo no juegan ningún
papel. Por este motivo, la Sección Eficaz Thomson es una sección eficaz electrónica.
2
, 3 Dispersión Rayleigh
La dispersión Rayleigh es un fenómeno fı́sico que describe cómo la luz u otras ondas electro-
magnéticas se dispersan al interactuar con partı́culas que son mucho más pequeñas que la longitud de
onda de la radiación incidente. Este tipo de dispersión es responsable de efectos como el color azul del
cielo.
Se trata de un proceso en el cual el fotón incidente es dispersado por el conjunto de electrones ligados de
un átomo. El átomo no se ioniza o excita, por lo que el estado final atómico es idéntico al estado inicial.
El átomo en conjunto absorbe el momento transferido pero la energı́a de retroceso es despreciable
(proceso coherente).
da σR de σT h r2
= |F (x, Z)|2 = e (1 + cos2 θ)|F (x, Z)|2 (3)
dΩ dΩ 2
Donde |F (x, Z)| es el factor de forma de Rayleigh.
3
Fernando Canales Melgarejo
1 Procesos de interacción fotón - materia
Estamos en concidiones de hacernos la siguiente pregunta: ¿Cuáles son los procesos posibles por los
que el campo electromagnético del fotón puede interaccionar con la materia?
Solo hablaremos de fotones cuya sección eficaz NO es despreciable.
En base a esto, tendremos fotones muy ligados o poco ligados:
• Fotones muy ligados: fotones con energı́a parecida a la energı́a de ligadura de los electrones.
• Fotones poco ligados: fotones con energı́a muy superiores a la energı́a de ligadura de los
electrones.
Este proceso de interacción puede dar lugar a procesos de dispersión sucesivos de orden menor (ra-
diación secundaria, radiación terciaria,...) lo que dificulta la descripción del mismo.
Como no se pueden aplicar principios primarios, aplicaremos unos coeficientes que nos permitirán
caracterizar la interacción entre fotones y materia.
Los procesos pueden dividirse en función de su importancia:
• Muy importantes: Compton, fotoeléctrico y producción de pares.
1
, • Importantes: Rayleigh.
• Poco imporantes: Thomson y Fotodesintegración.
2 Dispersión Thomson
El efecto Thomson de dispersión de partı́culas se refiere al fenómeno en el cual ondas electromagnéticas
(como la luz) interactúan con partı́culas cargadas, especialmente electrones libres, provocando una
redistribución de la energı́a de la onda sin cambio en su longitud de onda. Este fenómeno fue descrito
por Joseph John Thomson y es una forma especial de dispersión elástica.
Se describe clásicamente como un proceso de absorción resonante. El fotón incidente obliga al e− a
vibrar en su misma frecuencia de tal forma que un fotón de la misma energı́a es reemitido. Es, por lo
tanto, un proceso coherente (no existe transferencia de energı́a a los e− y no depende de la energı́a).
Tendremos que:
de σT h r2
= e (1 + cos2 θ) (1)
dΩ 2
Z
de σT h 8π 2
e σT h = = r = 0.665b (2)
dΩ 3 e
El fotón interactúa con un electrón cuasilibre y el resto de electrones y el núcleo no juegan ningún
papel. Por este motivo, la Sección Eficaz Thomson es una sección eficaz electrónica.
2
, 3 Dispersión Rayleigh
La dispersión Rayleigh es un fenómeno fı́sico que describe cómo la luz u otras ondas electro-
magnéticas se dispersan al interactuar con partı́culas que son mucho más pequeñas que la longitud de
onda de la radiación incidente. Este tipo de dispersión es responsable de efectos como el color azul del
cielo.
Se trata de un proceso en el cual el fotón incidente es dispersado por el conjunto de electrones ligados de
un átomo. El átomo no se ioniza o excita, por lo que el estado final atómico es idéntico al estado inicial.
El átomo en conjunto absorbe el momento transferido pero la energı́a de retroceso es despreciable
(proceso coherente).
da σR de σT h r2
= |F (x, Z)|2 = e (1 + cos2 θ)|F (x, Z)|2 (3)
dΩ dΩ 2
Donde |F (x, Z)| es el factor de forma de Rayleigh.
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