Me di cuenta de que Frank Heile sigue esta pregunta, pero como no respondió, supongo que espera a que alguien más responda, y luego lo corregirá / completará 🙂
También tengo mis dudas de que la pregunta sea sincera, porque Google y WIkipedia pueden responderla mucho más rápido y mejor.
Pero aún siento la necesidad de responder la pregunta, desde una perspectiva estricta, como introducción a la respuesta posterior de Frank 🙂
Es lógico que el fotón deba interactuar con el núcleo, ya que el núcleo es materia y el fotón, un bosón, interactúa con los fermiones (materia) que se encuentran en el núcleo.
La pregunta es: ¿bajo qué circunstancias interactuará?
Trataré de mantener las cosas simples intuitivas a expensas de la precisión:
Los fotones de baja energía tienen una longitud de onda larga. Imagínelos como anillos de humo que se propagan a través del espacio (Frank, ¡permítame la comparación solo por el bien de la visualización!).
Cuanto mayor es la energía del fotón, más pequeño y “más denso” es el anillo. El vórtice gira más rápido cuando el anillo se hace más pequeño, por lo que tiene más energía.
Pero todos se propagan a la misma velocidad.
Cuando el anillo golpea y obstaculiza (un solo átomo), notaremos un cambio en el anillo de humo solo si el obstáculo es de un tamaño comparable.
Un átomo es pequeño. La luz visible tiene un “diámetro de anillo” mucho más grande que el radio del átomo, por lo que no notará un cambio en un “anillo de humo” que golpea una “partícula de polvo” mucho más pequeña.
Si hay mucho “polvo”, los anillos de humo se volverán un poco más lentos, pero su radio no cambiará (analogía para la propagación de la luz en un gas).
Ahora extendamos la analogía al átomo. Los electrones que orbitan alrededor del núcleo no están aislados, como la Tierra alrededor del Sol, porque “giran” muy rápido. Por lo tanto, su órbita “se difumina” y ellos mismos son “anillos de humo” (u otras formas de “humo”) alrededor del núcleo.
Si el “anillo de humo” de la luz es mucho más denso y pequeño, y el tamaño es comparable con el “desenfoque” de la capa de electrones (rayos X), los dos anillos de humo podrían interactuar.
Aquí entra en juego la física cuántica mágica. Los “anillos de humo” se comportarán un poco como bolas que se golpean entre sí.
Hay dos casos,
1. Golpean elásticamente, y simplemente cambian la dirección del otro,
esto se llama dispersión de Thomson (wikipedia)
2. Su radio coincide tan bien que el “anillo de humo” de la luz se absorbe en el “anillo de humo” del electrón, que se hace más grande (en el contexto del electrón, más grande significa que tiene más energía). Este efecto se usa en láser y espectrometría. Cada átomo tiene sus propias frecuencias de absorción.
Tenemos un caso más, cuando el electrón está libre (no orbitando alrededor de un núcleo). Si el fotón “golpea” un electrón libre inelásticamente, podrían mezclarse y separarse nuevamente, pero con diferentes “diámetros”. Una parte del impulso (y energía) del fotón es mantenida por el electrón. Esto se llama dispersión de Compton y Wikipedia también lo explica muy bien.
Ahora, volviendo a su pregunta, usando esta analogía defectuosa:
Puedes imaginar que, para “anillos de humo” mucho más pequeños y “más densos”, algo sucederá cuando golpeen un núcleo. El núcleo es muy pequeño en comparación con el tamaño del átomo (¿cómo diablos puedo insertar un enlace aquí?)
y muy pesado Desde Einstein, E = mc², entonces la alta masa del núcleo corresponde a una alta energía. En términos de “humo”, la analogía del laico aquí sería un “nudo” muy complicado de estructuras enredadas.
Por lo tanto, también necesita un anillo de humo de fotones “duro”, es decir, uno con una alta energía (diámetro pequeño). Cuando este “anillo de humo” muy duro golpea el núcleo, existen las mismas posibilidades que antes:
1. golpea el núcleo elásticamente, el fotón se desvía (dispersa)
2. golpea el núcleo de manera inelástica: ahora las cosas se complican. ¿Qué puede pasar?
La estructura de “nudo” del núcleo se rompe, algunos “nudos” o “anillos” de “humo” (energía / masa) más pequeños serán desplazados.
Pero pase lo que pase, se aplican las leyes de conservación de energía e impulso.
El nivel más bajo de energía donde podemos esperar que ocurra algo interesante (la energía de los fotones “rompe” el “nudo”) es la masa de energía de 2 electrones, porque el electrón es la partícula estable más liviana. ¿Por qué dos de ellos? Debido a que la carga debe conservarse, y hay un electrón con una carga positiva que podría surgir (un anti-electrón, un positrón).
Wikipedia dice: “El fotón debe tener suficiente energía para crear la masa de un electrón más un positrón. La masa de un electrón es 9.11 × 10−31 kg, lo mismo que un positrón. Sin un núcleo para absorber el impulso, un fotón se descompone en el par electrón-positrón (u otros pares para el caso) nunca puede conservar energía y momento simultáneamente “
¿Puede el fotón entrante romper el núcleo e inducir fisión? Supongo que sí, para energías muy altas (no hay límite superior para la energía del fotón)
Pero debo preguntarle a Frank Heile aquí, esto es demasiado para mí, el laico.
La información completa, mucho más autorizada, se puede encontrar en wikipedia: Producción de pares