Os resultados de Arthur Compton convenceram a maioria dos céticos de que, em alguns experimentos, a luz pode agir como um fluxo de partículas.
AIP Emilio Segrè Arquivos Visuais
Arthur Compton (à esquerda, mostrado aqui com Francis Simon) usou este equipamento para provar que a luz, na forma de raios X e raios gama, age como um fluxo de pequenas bolas de bilhar – não ondas – quando se espalha elétrons.
AIP Emilio Segrè Arquivos Visuais
Arthur Compton (à esquerda, mostrado aqui com Francis Simon) usou este equipamento para provar que a luz, na forma de raios X e raios gama, age como um fluxo de pequenas bolas de bilhar – não ondas – quando se espalha elétrons.
A luz consiste em ondas ou partículas? No início da década de 1920, os físicos ainda não tinham certeza. A descrição de Partículas ou “quanta” de Albert Einstein – agora chamada fótons – existe desde 1905, mas, ao mesmo tempo, mais de um século de experimentos confirmou que a luz se comporta como ondas de água. Em maio de 1923, Arthur Compton, da Universidade de Washington, em St. Louis, quase sozinha, terminou dúvidas sobre fótons com seu papel no Revisão física (1). Ele apontou raios X e raios gama nos elétrons e mostrou que eles emergiram das colisões, como seria esperado para bolas de bilhar minúsculas.
Experimentos anteriores haviam fornecido apenas suporte indireto para a hipótese de partículas. Compton argumentou que, em um teste direto, quando um quântico leve colide com um elétron livre, os dois deveriam se espalhar da colisão como bolas de bilhar por uma mesa de bilhar. De acordo com as leis de conservação de energia e impulso, a “bola” de fótons de entrada deve perder parte de sua energia e impulso para o elétron enquanto os dois se afastam. Para o fóton, essas quantidades são representadas pelo comprimento de onda; Para o elétron, eles são indicados pela velocidade do recuo da colisão. Usando as leis de conservação, Compton previu os comprimentos de onda de fótons e velocidades de elétrons emergindo em diferentes ângulos da colisão.
Testando suas previsões bombardeando elétrons levemente ligados em grafite, alumínio e parafina, com raios X de alta energia e raios gama, Compton encontrou o que chamou de “notável acordo entre experimentos e teoria”. Os dados eram inconsistentes com a teoria das ondas, que previu que a luz dispersa se espalharia em todas as direções, como ondas de água irradiando de uma pedra caída em uma lagoa.
Para Arnold Sommerfeld, então na Universidade de Munique, o artigo de Compton significava que “a teoria dos raios X de onda terá que ser desistida”. Os experimentos de Compton representaram um “ponto de virada na física” elementary, diz o historiador Roger Stuewer, da Universidade de Minnesota, em Minneapolis, autor de um livro sobre o trabalho de Compton. Em 1927, Compton recebeu o Prêmio Nobel de Física pelo que hoje é chamado de efeito Compton.
Quanto à teoria das ondas, a maioria dos físicos ficou feliz em mantê -la para alguns fenômenos, enquanto adota simultaneamente a nova hipótese de fótons para outros. Mas em 1924, Niels Bohr, da Universidade de Copenhague, e colegas de trabalho-que ainda estavam desconfortáveis com o conceito de fótons-ligou para minar a hipótese com uma nova teoria. Eles propuseram que as leis de conservação de energia e momento não fossem válidas no alto nível de precisão que Compton alcançou em seus experimentos.
Todas as dúvidas e alternativas emblem cessaram, no entanto, quando pesquisadores da Alemanha e dos Estados Unidos, incluindo Compton, refutaram experimentalmente a teoria de Bohr. Einstein resumiu a situação em 1924: “Agora temos duas teorias da luz, ambas indispensáveis, mas deve ser admitido, sem nenhuma conexão lógica entre elas, apesar de 20 anos de esforço colossal de físicos teóricos”. A natureza quântica da luz period clara, mas a teoria quântica completa, que integrou os dois tipos de comportamento, ainda estava a vários anos.
–David C. Cassidy
Em 2004, David C. Cassidy foi professor de ciências naturais na Universidade de Hofstra, Nova York, e agora é professor emérito.
Referências
Ah Compton, “Uma teoria quântica da dispersão de raios-X por elementos leves”. Phys. Rev.21483 (1923).
Os físicos demonstraram uma máquina quântica que poderia reduzir erros em computadores quânticos, garantindo que os qubits que eles usam permaneçam em seu estado inicial antes do início de um cálculo. Leia mais »
Seong Jim Kim e Myoung-Woon Moon, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coréia, desenvolveram um dispositivo que pode “aspire” pequenos pedaços de plástico flutuando na superfície de um corpo de água. Leia mais »
