¿Los fotones interactúan con el núcleo?

Sí, los fotones interactúan con el núcleo. Los fotones interactúan con todas las partículas cargadas y los protones en el núcleo tienen carga.

La razón por la que escuchas sobre todo acerca de los fotones que interactúan con los electrones en lugar de con los núcleos es por la cuantización de los niveles de energía. Cuando los electrones están unidos al núcleo en un átomo, solo la interacción electromagnética relativamente débil entre el electrón y el núcleo da como resultado niveles de energía electrónica en espacios relativamente pequeños, del orden de 1 eV a unos pocos eV más o menos. Estos niveles de energía coinciden estrechamente con las energías de los fotones en el espectro de luz del sol y la mayoría de las estrellas. Por lo tanto, hay muchos de estos fotones disponibles e interactúan fácilmente con los electrones de los átomos ya que los niveles de energía coinciden.

Por otro lado, los protones cargados en un núcleo están unidos por la fuerza nuclear muy fuerte. Esta fuerza es tan fuerte que los niveles de energía en el núcleo están separados a millones de eV. Por lo tanto, para que un fotón interactúe con el núcleo, el fotón debe tener una energía de millones de eV. Este es el rango de rayos gamma del espectro electromagnético y simplemente no hay muchos fotones de ese rango de energía disponibles aquí en la superficie de la Tierra. Básicamente, las únicas fuentes de rayos gamma son las desintegraciones nucleares, los aceleradores de partículas o fuentes similares. La atmósfera absorberá todos los rayos gamma del exterior de la Tierra de manera muy efectiva.

Por lo tanto, es difícil crear o encontrar fuentes de rayos gamma de alta energía necesarios para interactuar con los protones en un núcleo. Es por eso que no aprendes mucho sobre esto a menos que seas un físico nuclear.

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

Nuevo descubrimiento podría habilitar aceleradores de partículas portátiles 2015

“Hemos acelerado los haces de electrones de alta carga a más de 10 millones de voltios de electrones utilizando solo milijulios de energía de pulso láser. Esta es la energía que consume una bombilla doméstica típica en una milésima de segundo”. dijo Howard Milchberg, profesor de física e ingeniería eléctrica e informática en la UMD y autor principal del estudio. “Debido a que el requerimiento de energía del láser es tan bajo, nuestro resultado abre el camino para aceleradores de partículas accionados por láser que se pueden mover en un carro”.

Espectrómetro de rayos gamma – Wikipedia

“El extremo inferior del rango de rayos gamma nucleares (~ 10 MeV a ~ 10 keV)”

Espectroscopía gamma – Wikipedia

Los fotones gamma pueden interactuar con el núcleo. En el combustible del reactor nuclear que se ha utilizado, los fragmentos de fisión son a menudo radiactivos y, cuando se descomponen, muchos emiten una característica energía de fotones gamma.

Además, los rayos cósmicos pueden generar un fondo de rayos gamma como radiación secundaria a medida que interactúan con la Tierra. Los detectores pueden hacer uso de ese espectro de alta energía para identificar materiales.

El campo eléctrico de un fotón puede interactuar con el campo eléctrico de los protones en un núcleo. Eso puede causar transiciones en la estructura nuclear.

Sí, los protones están cargados e interactúan con los fotones. Los neutrones son neutros, pero tienen un momento magnético, por lo que también interactúan con los fotones, pero menos cuando la longitud de onda es más larga que la de MeV, los neutrones libres no son brillantes, los protones libres sí lo son.

Las principales interacciones notables para núcleos más grandes son las interacciones electrostáticas, de modo que un núcleo libre, despojado de electrones, dispersará la luz de onda larga como un electrón libre, excepto que es mucho más masiva.

Para luz de mayor frecuencia, comienzas a ver los niveles de energía nuclear. Estos implican que la distribución de carga del núcleo tiembla en respuesta a la luz, y el fenómeno principal (en núcleos más grandes) es la resonancia electromagnética gigante, un modo de energía relativamente baja donde los protones y los neutrones se mueven en direcciones opuestas en relación con el centro de masa en respuesta a un fotón electromagnético de nivel KeV.

A frecuencias aún más altas, a cientos de MeV, el núcleo comienza a ser opaco a los fotones, se dispersan como si estuvieran interactuando fuertemente. La razón es que el campo fuerte efectivo nuclear conduce a la mezcla de fotón-rho, el efecto donde un fotón se comporta como si fuera la partícula rho 760 que interactúa fuertemente parte del tiempo. Esto fue discutido experimental y teóricamente por Gottfried en la conferencia de Cornell de 1972 sobre interacciones fotón-hadrón, y el fenómeno principal se llama “sombreado”, el efecto donde los núcleos grandes tienen secciones transversales de dispersión de fotones que no se escalan como “Z” sino como “Z” a una potencia fraccional, porque el fotón se atenúa completamente dentro del núcleo. Esto también se discute en el libro de Feynman “Interacciones de hadrones de fotones”.

La interacción de los fotones con los núcleos es simplemente la misma que con cualquier partícula cargada, complicada debido al hecho de que el núcleo tiene un número moderadamente grande de partículas cargadas, y también porque el vacío QCD está lleno de condensado de quark, y los quarks están cargado. Se entiende bastante bien de una manera fenomenológica, aunque la comprensión fundamental está limitada por nuestro método limitado para describir QCD.