Elektron verlässt das Atom

Damit ein Photon ein reales (nicht virtuelles) Elektron/Positron-Paar entstehen lässt, muss es eine Energie von etwas mehr als einer Million Elektronenvolt besitzen. Dies ist in der Tat ein sehr energiereiches Photon. Im Vergleich dazu benötigt das Photon, das die Photoemission eines Elektrons aus einem Atom verursacht, eine Energie in der Größenordnung von einem Elektronenvolt. Dies ist typisch für die Photonen, aus denen sichtbares Licht besteht.

Die Antwort ist, es passiert. Nur bei stark unterschiedlichen Energien. Dieses Bild (aus dieser Dissertation, Seite 10) fasst es recht schön für die Streuung an Cu (Kupfer)-Atomen zusammen:

Photoelektrische Absorption ist nur der relevanteste Effekt bei niedrigen Energien (wie Sie aus sehen können$10 - 10^3$eV.

Lassen Sie mich die anderen Effekte zusammenfassen ($A$steht für Atom):

• Thomson-Streuung ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): Photon wird von einem Elektron absorbiert und emittiert (auch elastisch genannt, weil das Elektron keine Energie absorbiert) (auch Rayleigh-Streuung genannt)
• Compton-Streuung ($\gamma + e^- \to \gamma + e^-$): Photon prallt vom Elektron ab und wirft es auch aus dem Elektron heraus (auch unelastisch genannt, weil das Elektron dabei Energie absorbiert)
• Photonukleare Absorption ($\gamma + A \to A^*$): Ehrlich gesagt wusste ich nichts davon. Der Kern scheint das Photon zu absorbieren und angeregt zu werden , aber das geschieht nur für bestimmte Energien, die stark vom Kern abhängen.
• Paarproduktion ($\gamma + A \to e^+ e^- + A$): Schließlich spielt, wie Sie vermutet haben, die Paarbildung oberhalb von 1 MeV eine Rolle. Aber nicht ganz so, wie du es beschreibst. Zwar kann sich ein Photon aufgrund der Impulserhaltung im Vakuum nicht in ein Elektron-Positron-Paar verwandeln. In der Nähe eines Atoms kann das Atom jedoch einen Teil des Impulses absorbieren, um die Erhaltung zu erreichen. Aber das Elektron und das Positron werden in diesem Fall immer noch so schnell sein, dass sie gerade am Atom vorbeifliegen und das Positron nicht vernichtet. Wikipedia zeigt das folgende Feynman-Diagramm:

Die Antwort auf „was passiert“ ist also ziemlich kompliziert, je nach Energie passieren viele verschiedene Dinge. Normalerweise benötigen Sie nicht das vollständige Bild (wie bei niedrigen Energien). Aber es ist gut, den Überblick zu haben.

Lassen Sie mich wissen, wenn meine Antwort Fehler enthält!

Das ist eigentlich eine gute Frage.

Aufgrund der Impuls-/Energieerhaltung kann dies nicht passieren. Ein einzelnes Photon zerfällt nicht in ein Elektron-Positron-Paar, so dass sie als zwei getrennte und unabhängige Teilchenzustände existieren würden. Eines der Teilchen muss "off-shell" sein. Mit anderen Worten, der Prozess der Paarbildung wird ein virtuelles Teilchen beinhalten, und solche Teilchen existieren nicht für eine Zeit, die ausreicht, um den Prozess zuzulassen, den ihr euch ausgedacht habt.

Um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen, muss ein Photon mindestens die Energie der Masse der beiden Teilchen haben (511 keV * 2 = 1,02 MeV). Die am photoelektrischen Effekt beteiligten Photonen liegen weit unter 1 MeV (was im Gammastrahlenbereich liegen würde).

Um ein e-/e+-Paar zu erzeugen, muss ein Photon außerdem mit einem Atomkern wechselwirken, um Impuls zu erhalten. Das Positron würde auch schnell mit einem anderen Elektron in der Nähe vernichten, und Sie könnten die resultierenden zwei 511-keV-Gammas leicht erkennen.

Woher wissen wir, dass ein Photon im photoelektrischen Effekt tatsächlich mit dem Elektron interagiert, nicht vernichtet, um ein Positron und ein Elektron zu bilden, dann interagiert das Positron mit dem Elektron im Atom, während das andere Elektron dasjenige ist, das sich bewegt

Tatsächlich wissen wir es nicht. Die Elektronen sind nicht zu unterscheiden. Alle Elektronen sind gleich.

Beide Mechanismen, die Sie vorschlagen, sind plausibel, ebenso wie unendlich viele andere Mechanismen. Nun, der zweite erfordert, dass nur wenige Teilchen für niedrige Photonenenergien virtuell sind, aber virtuelle Teilchen sind ein ziemlich etabliertes Konzept.

Wenn man eine Teilcheninteraktion modelliert, werden normalerweise die einfachsten und wahrscheinlichsten Mechanismen zuerst gezählt. Andere werden nur hinzugefügt, wenn einfachere Annäherungen den experimentellen Daten nicht sehr ähnlich sehen.

Was einen photoelektrischen Effekt betrifft, kann man ehrlich gesagt alles überspringen, was mit der Paarbildung zu tun hat, und das Ergebnis wird immer noch "gut genug" sein, bis zu unseren besten Messfähigkeiten. Andere Dinge, wie Elektronen in einem Kristall, die miteinander interagieren, sind viel, viel, viel wichtiger für den photoelektrischen Effekt.

Ihre Frage ist gut, denn eigentlich lautet die Antwort, dass beide (photoelektrischer Effekt und Paarbildung) gleichzeitig auftreten können, wobei ein einziges Photon beide Effekte verursacht.

Um dies zu haben, benötigen Sie:

1. Ein Photon mit anfänglich mindestens einer Energie weit über der 1MeV-Schwelle. Dieses Photon kann ein Elektron genau dann herausschmeißen, wenn es mehr Energie auf das Elektron übertragen kann als die Austrittsarbeit. Das Photon muss entgegen der landläufigen Meinung nicht aufhören zu existieren. Wenn es mehr Energie auf das Elektron übertragen kann als die Austrittsarbeit, kann das Elektron abgestoßen werden, ohne das Photon zu absorbieren, und das Photon hört nicht auf zu existieren. Das Photon verliert nur etwas Energie (ein kleiner Bruchteil seiner Gesamtmenge, etwa 10-10 ^ 3 eV) und ändert den Winkel.

2. Das Photon hat folglich immer noch eine Energie über der Paarerzeugungsschwelle (1 Mev), sodass es sich in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln kann und dies manchmal auch tut. Bitte beachten Sie, dass der Impuls erhalten bleiben muss und der Kern einen gewissen Rückstoß (Impulsübertragung) erhalten muss, da im Schwerpunktsystem der Impuls des Elektron-Positron-Paares Null ist. Dies ist mit einem einzelnen Photon unmöglich, es sei denn, es befindet sich ein Atomkern in der Nähe. Der Kern wird die Anforderung erfüllen, der Impulserhaltung zu gehorchen.

Durch die Energieaufnahme des Elektrons von außen (z. B. in einer Entladungsröhre, wenn zwischen den Elektroden ein hoher Potentialunterschied entsteht) verlässt das Elektron das Atom. Mit anderen Worten, es schlägt aus dem Atom heraus (weil der Energiegewinn dazu führt, dass es sich gemäß BOHRS MODELL DES ATOMS auf immer höhere Energieniveaus bewegt. Wenn seine Energie also sogar die in den Elektronen vorhandene Energie übersteigt). letzten Schale wird es herausgeschlagen, wodurch das verbleibende Atom positiv geladen wird, dessen Masse fast gleich der des Atoms selbst ist, da Elektronen eine vernachlässigbare Masse haben und ihre Ladung gleich der Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen ist.