¿Qué aspecto de partícula se requiere para explicar el efecto fotoeléctrico o Compton?

¿Qué queremos decir cuando decimos que requiere la naturaleza de partículas de la radiación, es decir, fotones, para explicar el efecto fotoeléctrico o Compton?

Tanto el fotón como el electrón son partículas puntuales en la tabla de partículas elementales .

No podemos decir que el momento y la energía son propiedades distintivas de una partícula. Las ondas también tienen estas propiedades.

Clásicamente, una partícula se describe no solo por la energía y el momento, sino también por un punto específico del centro de masa en (x, y, z) que permite determinar una trayectoria única dadas las condiciones iniciales. Si es una partícula puntual más. Los puntos de impacto también se conocen claramente dada la trayectoria. Una partícula clásica golpea una pared en un punto específico (y, z).

Ninguno de estos dos procesos (fotoeléctrico y Compton) es bueno para mostrar la naturaleza corpuscular de las partículas elementales, porque su detección depende de la distribución de probabilidad medible por la acumulación de muchos eventos.

El efecto fotoeléctrico demuestra que los fotones existen como paquetes de energía individuales y no como una onda clásica continua que transporta energía. Lo mismo con la dispersión Compton, donde el fotón cede parte de su energía al electrón. Pero ambos no pueden usarse como una demostración clara del comportamiento de una partícula clásica, porque ambos dependen de distribuciones de probabilidad para las trayectorias, no hay unicidad de trayectoria para las mismas condiciones de contorno.

En mi opinión, la mejor demostración didáctica de la naturaleza dual de las partículas elementales está dada por el experimento de la doble rendija.

La naturaleza de la partícula es la huella de cada electrón individual, que es un único punto x,y en la pantalla, como se espera por la trayectoria de una partícula. Su posición parece aleatoria, hasta que la naturaleza de la onda se muestra en la acumulación. Es una distribución de probabilidad que se puede describir como el cuadrado conjugado complejo de la función de onda que describe la "dispersión de electrones en dos rendijas".

Una mejor demostración de la naturaleza de una partícula es esta imagen de cámara de burbujas de un decaimiento de pi mu e

El pión de la interacción principal decae a

Entonces el muón decae :

La trayectoria hasta el punto de decaimiento actúa como una trayectoria clásica, en ese impulso y el mismo campo magnético tendrá la misma trayectoria circular. En el punto de interacción entra la naturaleza probabilística, que está ligada a la naturaleza ondulatoria de la partícula elemental: hay una distribución de probabilidad para las distribuciones de cómo mu+ y nu_mu comparten la energía del momento, y lo mismo para la distribución de e+ nu_e y anti-nu_mu en el segundo decaimiento, y son las distribuciones de probabilidad las que muestran una naturaleza ondulatoria.

Respuesta instantánea

La radiación electromagnética clásica que incide sobre una placa de metal requeriría bastante tiempo para acumular suficiente energía para expulsar electrones. Suponga una potencia de$P = 1 \, \text{W}$en un área de$A = 1 \, \text{m}^2$(correspondiente a$\sim 5 \cdot 10^{18}$átomos superficiales). ¿Cuánto tardará un átomo en reunir la$e \Phi \sim 5 \, \text{eV} \approx 8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}$requerido para la ionización? Si el poder se distribuye entre todos los átomos de la superficie por igual, esto tomaría$t = \frac{8 \cdot 10^{-19} \, \text{J}}{5 \cdot 10^{18} \cdot 1 \, \text{W}} = 4 \, \text{s}$hasta que un átomo tiene suficiente energía para liberar un electrón. Pero lo que observas es que tan pronto como enciendes la luz comienza la emisión de electrones. Esto por sí solo no requiere necesariamente una explicación con luz cuantificada, ya que uno podría pensar en la idea de que la intensidad de la luz no se distribuye por igual sobre la placa de metal o con algunos mecanismos en el metal que tienden a concentrar la energía en átomos individuales ( y por esto violando la termodinámica).

Energía de los electrones liberados

El otro punto es que un campo electromagnético clásico no dicta la energía de los electrones emitidos. Especialmente en el caso de los mecanismos "clásicos" que redistribuyen la energía, debería haber una gran dispersión en las energías. Pero lo que observas cuando iluminas una placa de metal con luz monocromática de energía fotónica$h \nu$es que la energía cinética de los electrones alcanza un pico muy pronunciado en$E_{\text{el}} = h \nu - e \Phi$(energía fotónica menos energía de enlace del metal).

Además, si aumenta el flujo de luz, esto no altera la energía de los electrones: solo aumenta su número. De nuevo, no hay una explicación clásica para eso. La explicación de la mecánica cuántica de los cuantos de luz (fotones) que interactúan uno a uno con los cuantos de carga (electrones) resuelve ambos: el problema de la respuesta instantánea y el de la dependencia del flujo de energía.

Se puede encontrar más discusión, por ejemplo, en esta respuesta a una pregunta similar, tal vez yendo un poco demasiado lejos para explicárselo a un estudiante de secundaria.

Compton observó que la longitud de onda de los rayos X dispersados ​​siempre era mayor que la longitud de onda de los rayos X entrantes. Este cambio en la longitud de onda (frecuencia) - el cambio de Compton no se puede explicar usando la teoría clásica de ondas electromagnéticas.

En el régimen de baja energía, la dispersión de la luz por una partícula cargada libre se denomina dispersión de Thomson. En la imagen clásica, la partícula cargada oscila en el campo eléctrico de la luz entrante y emite radiación con la misma frecuencia, pero con una intensidad que depende de la intensidad de la luz entrante.

En la dispersión Compton, la luz dispersada tiene una mayor longitud de onda, lo que significa que tiene una energía menor. Este cambio depende del ángulo de dispersión y no de la intensidad de la luz entrante.

Con respecto al efecto fotoeléctrico, si trata la luz como una onda electromagnética, esperaría que los fotoelectrones sean expulsados ​​con cierto retraso porque la onda electromagnética transfiere energía continuamente. Pero eso no es lo que sucede.

Además, desde una perspectiva clásica, la intensidad de la luz debería influir en la energía cinética de los fotoelectrones ya que una mayor intensidad significa un mayor campo eléctrico. Pero lo que ocurre es que la intensidad de la luz influye en el número de fotoelectrones, no en su energía cinética. Otro argumento es que el efecto fotoeléctrico ocurre solo si la luz entrante tiene suficiente energía. En la imagen clásica, el efecto fotoeléctrico debería ocurrir independientemente de la frecuencia dado que la luz es lo suficientemente intensa. Pero el efecto fotoeléctrico ocurre solo si la frecuencia de la luz excede una frecuencia umbral.