Электрон покидает атом
Из фотоэлектрического эффекта мы знаем, что фотон может вытолкнуть электрон за пределы атома, если он имеет нужное количество энергии ($E_{\gamma} \geq W_0$).
С другой стороны, образование пар говорит нам, что фотон может аннигилировать с образованием электрона и антиэлектрона (позитрона).
Мне интересно, как мы узнаем, что фотон в фотоэлектрическом эффекте действительно будет взаимодействовать с электроном, а не аннигилировать с образованием позитрона и электрона, тогда позитрон будет взаимодействовать с электроном в атоме, в то время как другой электрон будет один движется?
Ответы
Чтобы фотон породил реальную (не виртуальную) пару электрон / позитрон, он должен обладать энергией чуть больше одного миллиона электрон-вольт. Это действительно очень энергичный фотон. Для сравнения, фотону, вызывающему фотоэмиссию электрона из атома, нужна энергия порядка ~ электрон-вольт. Это типично для фотонов, составляющих видимый свет.
Ответ: это случается. Просто на разных энергиях. Этот рисунок (взятый из этой диссертации, стр. 10) довольно хорошо резюмирует его для рассеяния на атомах Cu (меди):
Фотоэлектрическое поглощение - самый важный эффект при низких энергиях (как вы можете видеть из $10 - 10^3$ эВ.
Позвольте мне резюмировать другие эффекты ($A$ обозначает атом):
- Томсоновское рассеяние ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): Фотон поглощается и испускается электроном (также называется упругим, потому что электрон не поглощает энергию) (также называемое рассеянием Рэлея)
- Комптоновское рассеяние ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): Фотон отскакивает от электрона и также выбивает его из электрона (также называется неупругим, потому что электрон при этом поглощает энергию)
- Фотоядерное поглощение ($\gamma + A \to A^*$): Честно говоря, я не знал об этом. Ядро , кажется, поглощает фотон и возбуждаться , но это происходит только для определенных энергий, в зависимости высоко на ядре.
- Парное производство ($\gamma + A \to e^+ e^- + A$): Наконец, как вы догадались, образование пар играет роль при энергии выше 1 МэВ. Но не совсем так, как вы это утверждаете. Верно, что фотон не может превратиться в пару электрон-позитрон в вакууме из-за сохранения импульса. Однако вблизи атома атом может поглотить часть импульса для достижения сохранения. Но электрон и позитрон в этом случае все равно будут такими быстрыми, что они просто пролетят мимо атома, а позитрон не аннигилирует. Википедия показывает следующую диаграмму Фейнмана:
Итак, ответ на вопрос «что происходит» довольно сложен, в зависимости от энергии происходит много разных вещей. Обычно полная картина не требуется (как для низких энергий). Но обзор хорошо.
Сообщите мне, если в моем ответе есть ошибки!
На самом деле это хороший вопрос.
Из-за сохранения импульса / энергии этого не может произойти. Одиночный фотон не распадется на пару электрон-позитрон, так что они будут существовать как два отдельных и независимых состояния частиц. Одна из частиц должна быть "вне оболочки". Другими словами, в процессе образования пар будет задействована виртуальная частица, а такие частицы не существуют в течение времени, достаточного для реализации задуманного вами процесса.
Чтобы создать пару электрон-позитрон, фотон должен иметь, по крайней мере, энергию массы двух частиц (511 кэВ * 2 = 1,02 МэВ). Фотоны, участвующие в фотоэлектрическом эффекте, намного меньше 1 МэВ (что было бы в диапазоне гамма-лучей).
Кроме того, чтобы создать пару e- / e +, фотон должен взаимодействовать с ядром атома, чтобы сохранить импульс. Позитрон также быстро аннигилирует с другим электроном поблизости, и вы легко сможете обнаружить две результирующие гаммы 511 кэВ.
как мы узнаем, что фотон в фотоэлектрическом эффекте действительно будет взаимодействовать с электроном, а не аннигилировать с образованием позитрона и электрона, тогда позитрон будет взаимодействовать с электроном в атоме, в то время как другой электрон будет двигаться вокруг
На самом деле мы не знаем. Электроны неразличимы. Все электроны равны.
Оба механизма, которые вы предлагаете, правдоподобны, как и бесконечное множество других механизмов. Что ж, второй требует, чтобы несколько частиц были виртуальными для низких энергий фотонов, но виртуальные частицы - это в значительной степени устоявшаяся концепция.
Когда моделируют какое-то взаимодействие частиц, обычно в первую очередь считаются наиболее простые и вероятные механизмы. Другие добавляются только в том случае, если более простые приближения не очень похожи на экспериментальные данные.
Что касается фотоэлектрического эффекта, можно честно пропустить все, что связано с образованием пар, и результат все равно будет «достаточно хорошим» с учетом наших лучших измерительных возможностей. Другие вещи, такие как электроны в кристалле, взаимодействующие друг с другом, гораздо важнее для фотоэлектрического эффекта.
Ваш вопрос хороший, потому что на самом деле ответ состоит в том, что оба эффекта (фотоэлектрический эффект и образование пар) могут происходить одновременно, когда один фотон вызывает оба эффекта.
Для этого вам необходимо:
Фотон изначально с энергией, по крайней мере, значительно выше порога 1 Мэв. Этот фотон может вытолкнуть электрон, если и только если он может передать электрону больше энергии, чем работа выхода. Фотон, вопреки распространенному мнению, не должен прекращать свое существование. Если он может передать электрону больше энергии, чем работа выхода, то электрон может быть запущен, не поглощая фотон, и фотон не перестанет существовать. Фотон просто потеряет некоторую энергию (небольшую часть своей полной, около 10-10 ^ 3 эВ) и изменит угол.
фотон, следовательно, все еще имеет энергию выше порога образования пары (1 Мэв), поэтому он может трансформироваться, а иногда и действительно превращается в пару электрон-позитрон. Обратите внимание, что импульс должен быть сохранен, а ядро должно получить некоторую отдачу (передачу импульса), потому что в системе центра масс импульс пары электрон-позитрон равен нулю. Это невозможно с одиночным фотоном, если поблизости нет ядра. Ядро обеспечит требование подчиняться закону импульса.
Из-за получения энергии электроном извне (например, в газоразрядной трубке, когда между электродами создается большая разность потенциалов) электрон покидает атом. Другими словами, он выбивает из атома (потому что увеличение энергии заставляет его перемещаться на все более и более высокие уровни энергии в соответствии с МОДЕЛЬЮ АТОМА Бора. В конце концов, когда его энергия превышает даже энергию, присутствующую в электронах атома последняя оболочка, она выбивается. Это приводит к тому, что оставшийся атом становится положительно заряженным, его масса почти равна массе самого атома, поскольку электроны имеют незначительную массу, а его заряд равен количеству выбитых электронов.