Efectul fotoelectric (fotoefectul)

Efectul fotoelectric (fotoefectul)

Fotoefectul consta in procesul de interactiune a cuantelor γ cu electronii legati in atom, interactiune in care electronul preia intreaga energie a cuantei γ, fiind expulzat din atom cu energia cinetica:

unde E este energia cuantei , iar I_i este potentialul de ionizare al stratului i-lea al atomului. La energii joase, electronul este emis cu probabilitate mare la 90  , iar odata cu cresterea energiei unghiului de emisie scade aproape de 0

Evident ca pentru E <I_k fotoefectul este posibil numai pe paturile L, M,etc. ale atomului, fiind imposibil pe patura K. Pentru E <I_L fotoefectul este posibil numai pentru paturile M,N,etc. si este imposibil pentru paturile K, L.

Locul eliberat de electron intr-o patura ca rezultat al fotoefectului, este ocupat de electroni de pe orbitele superioare. Acest proces este insotit de emisie de raze X sau emisie de electroni Auger (transfer direct al energiei atomului excitat la un electron al aceluiasi atom, proces analog fenomenului de coversie interna).

Efectul fotoelectric este imposibil pe electroni liberi (nelegati in atom). Aceasta rezulta din nesatisfacerea legilor de conservare a energiei si impulsului in ipoteza opusa. Intr-adevar daca fotoefectul ar fi posibil pe electroni liberi, atunci legea conservarii energiei si impulsului ar da:

(1.33)

De aici:

Aceasta relatie este satisfacuta pentru =0 si =1. Prima solutie corespunde situatiei triviale E =E_e=0, iar a doua nu are sens fizic pentru particule cu m

Deci pentru fotoefect este esentiala legatura electronului cu atomul, caruia ii transfera o parte din impulsul fotonului. Fotoefectul este posibil numai pe electronii legati. Cu cat este mai slaba legatura electronului cu atomul in comparatie cu energia fotonului, cu atat este mai mica probabilitatea fotoefectului. Aceasta determina proprietatile fundamentale ale fotoefectului:

dependenta sectiunii de energia fotonului, corelatia probabilitatilor fotoefectului pe diferite paturi si dependenta sectiunii de sarcina mediului (Z).

Fig. 1.11. Dependenta sectiunii efectului fotoelectric σ_f

de energia radiatiei gamma (E_γ)

In figura 1.11 este prezentat dependenta sectiunii fotoefectului de energia cuantelor γ. Se observa ca pentru energii mari ale cuantelor γ (pentru care practic toti electronii atomului sunt slab legati) sectiunea este mica. Pe masura scaderii lui E_γ (cresterea gradului de legare in raport cu energia cuantelor γ, I_K/E_γ) sectiunea σ_f creste la inceput dupa legea 1/E_γ si apoi (pe masura apropierii lui E_γ de I_K) dupa legea mai tare 1/E_γ^7/2.

Daca E_γ<I_K fotoefectul pe patura K devine imposibil, iar sectiunea fotoefectului este determinata numai de interactiunea cuantelor γ cu electronii paturilor L, M etc. Dar electronii acestor paturi sunt mai slab legati in atom decat electronii paturii K. De aceea la energii egale ale cuantelor γ probabilitatea fotoefectului electronilor din patura L (si cu atat mai mult a celor de pe

M) este substantial mai mica decat in patura K. Din acest motiv pentru E_γ=I_K pe curba sectiunii σ_f se observa un salt brusc.

Pentru E_γ<I_K sectiunea fotoefectului incepe sa creasca din nou doarece creste din nou cuplarea relativa a electronului I_L/E_γ. Aceasta crestere inceteaza pentru E_γ=I_L, unde se observa un nou salt brusc al sectiunii etc.

Probabilitatea fotoefectului depinde foarte mult de sarcina nucleara Z a atomului pe care are loc fotoefectul σ_f ~ Z⁵.

Astfel, pentru sectiunea fotoelectronului se obtine urmatoarea dependenta de energia radiatiei E si sarcina mediului Z:

Fotoefectul este deosebit de important pentru atomii grei unde apare cu o probabilitate considerabila chiar si la energii mari ale cuantelor . De aceea protectia impotriva radiatiilor se realizeaza din materiale cu Z mare cum ar fi Pb.

Pentru electronii de pe patura K, _f se poate calcula cu ajutorul relatiilor:

Dupa cum s-a mai subliniat, contributia relativa la sectiune a fotoefectului pe paturile L, M si pe celelelalte nu este mare comparativ cu cea de pe patura K. Calculul da pentru rapoartele sectiunilor fotoefectului pe diferite paturi urmatoarele rezultate:

Verificarea exprimentala a primei relatii a confirmat acest rezultat. De aceea, la calcularea sectiunii totale a fotoefectului in fata formulei (1.36) se pune coeficientul 5/4.

Fotoefectul este mecanismul principal de absorbtie a radiatiilor moi (E_γ mic, <0,5 MeV) de catre atomii grei.