Electrón saliendo del átomo

Para que un fotón dé lugar a un par electrón/positrón real (no virtual), debe poseer una energía ligeramente superior a un millón de electronvoltios. Este es un fotón muy energético de hecho. En comparación, el fotón que causa la fotoexpulsión de un electrón de un átomo necesita una energía del orden de un electrón-voltio. Esto es típico de los fotones que componen la luz visible.

La respuesta es que sucede. Solo a energías muy diferentes. Esta imagen (tomada de esta tesis, página 10) lo resume bastante bien para la dispersión en átomos de Cu (Cobre):

La absorción fotoeléctrica es solo el efecto más relevante a bajas energías (como puede ver en$10 - 10^3$eV.

Permítanme resumir los otros efectos ($A$significa átomo):

• dispersión de Thomson ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): El fotón es absorbido y emitido por un electrón (también llamado elástico porque el electrón no absorbe energía) (también llamado dispersión de Rayleigh)
• dispersión de Compton ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): El fotón rebota en el electrón y también lo expulsa del electrón (también llamado inelástico porque el electrón absorbe energía en el proceso)
• Absorción fotonuclear ($\gamma + A \to A^*$): Honestamente, no sabía nada de eso. El núcleo parece absorber el fotón y excitarse , pero eso solo sucede para energías específicas, que dependen en gran medida del núcleo.
• Producción de parejas ($\gamma + A \to e^+ e^- + A$): Finalmente, como habrás adivinado, la producción de pares juega un papel por encima de 1 MeV. Pero no exactamente como lo dices. Es cierto que un fotón no puede convertirse en un par de electrones y positrones en el vacío debido a la conservación del momento. Sin embargo, cerca de un átomo, el átomo puede absorber parte del impulso para lograr la conservación. Pero el electrón y el positrón en este caso seguirán siendo tan rápidos que pasarán volando junto al átomo y el positrón no se aniquilará. Wikipedia muestra el siguiente diagrama de Feynman:

Entonces, la respuesta a "lo que sucede" es bastante complicada, suceden muchas cosas diferentes dependiendo de la energía. Por lo general, no necesita la imagen completa (como para las energías bajas). Pero es bueno tener una visión general.

¡Avísame si hay algún error en mi respuesta!

Esta es realmente una buena pregunta.

Debido a la conservación de la cantidad de movimiento/energía, esto no puede suceder. Un solo fotón no decaerá en un par electrón-positrón de modo que existan como dos estados de partículas separados e independientes. Una de las partículas tiene que estar "fuera de la cáscara". En otras palabras, el proceso de producción de pares implicará una partícula virtual, y tales partículas no existen durante un tiempo suficiente para permitir el proceso que has concebido.

Para crear un par de electrones y positrones, un fotón debe tener al menos la energía de la masa de las dos partículas (511 keV * 2 = 1,02 MeV). Los fotones involucrados en el efecto fotoeléctrico están muy por debajo de 1 MeV (que estaría en el rango de los rayos gamma).

Además, para crear un par e-/e+, un fotón tiene que interactuar con un núcleo atómico para conservar el impulso. El positrón también se aniquilaría rápidamente con otro electrón cerca, y podría detectar fácilmente los dos gammas de 511 keV resultantes.

¿Cómo sabemos que un fotón en el efecto fotoeléctrico realmente interactuará con el electrón y no se aniquilará para formar un positrón y un electrón, luego el positrón interactuará con el electrón en el átomo mientras que el otro electrón será el que se mueva?

De hecho, no lo sabemos. Los electrones son indistinguibles. Todos los electrones se hacen iguales.

Ambos mecanismos que propones son plausibles, así como un número infinito de otros mecanismos. Bueno, el segundo requiere que algunas de las partículas sean virtuales para bajas energías de fotones, pero las partículas virtuales son prácticamente un concepto establecido.

Cuando se modela alguna interacción de partículas, generalmente se cuentan primero los mecanismos más simples y probables. Otros se agregan solo si las aproximaciones más simples no se parecen mucho a los datos experimentales.

Con respecto a un efecto fotoeléctrico, honestamente se puede omitir todo lo relacionado con la producción de pares y el resultado seguirá siendo "suficientemente bueno" para nuestras mejores capacidades de medición. Otras cosas, como los electrones en un cristal que interactúan entre sí, son mucho, mucho, mucho más importantes en el efecto fotoeléctrico.

Su pregunta es buena, porque en realidad la respuesta es que ambos (efecto fotoeléctrico y producción de pares) pueden ocurrir al mismo tiempo con un solo fotón causando ambos efectos.

Para tener esto necesitas:

1. Un fotón inicialmente con al menos una energía muy por encima del umbral de 1Mev. Este fotón puede expulsar a un electrón si y solo si puede transferir más energía al electrón que la función de trabajo. El fotón, contrariamente a la creencia popular, no tiene por qué dejar de existir. Si puede transferir más energía al electrón que la función de trabajo, entonces el electrón puede arrancar sin absorber el fotón, y el fotón no deja de existir. El fotón solo perderá algo de energía (una pequeña fracción de su total, alrededor de 10-10 ^ 3 eV) y cambiará de ángulo.

2. en consecuencia, el fotón todavía tiene energía por encima del umbral de producción de pares (1 Mev), por lo que puede transformarse, y en ocasiones lo hace, en un par de electrones y positrones. Tenga en cuenta que el impulso debe conservarse y el núcleo debe recibir algo de retroceso (transferencia de impulso), porque en el marco del centro de masa, el impulso del par electrón-positrón es cero. Esto es imposible con un solo fotón, a menos que haya un núcleo cerca. El núcleo proporcionará el requisito para obedecer la conservación del momento.

Debido a la ganancia de energía del electrón desde el exterior (por ejemplo, en un tubo de descarga, cuando se crea una gran diferencia de potencial entre los electrodos), el electrón abandona el átomo. En otras palabras, sale del átomo (porque la ganancia de energía hace que se mueva a niveles de energía cada vez más altos de acuerdo con el MODELO DEL ÁTOMO DE BOHR. Entonces, después de todo, cuando su energía excede incluso la energía presente en los electrones del última capa, se elimina.Esto hace que el átomo restante se cargue positivamente con su masa casi igual a la del átomo mismo, ya que los electrones tienen una masa despreciable y su carga es igual al número de electrones eliminados.