¿Qué es el efecto fotoeléctrico? Definición

Definición de efecto fotoeléctrico

En el efecto fotoeléctrico, un fotón experimenta una interacción con un electrón que está unido a un átomo. En esta interacción, el fotón incidente desaparece por completo y el átomo expulsa un fotoelectrón energético de una de sus capas unidas . La energía cinética del fotoelectrón expulsado (E _e ) es igual a la energía del fotón incidente (hν) menos la energía de unión del fotoelectrón en su capa original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Por lo tanto, los fotoelectrones solo son emitidos por el efecto fotoeléctrico si el fotón alcanza o excede un umbral de energía , la energía de unión del electrón, la función de trabajo del material. Para los rayos gamma con energías de más de cientos keV, el fotoelectrón se lleva la mayor parte de la energía del fotón incidente – hν. Después de una interacción fotoeléctrica, se crea un átomo absorbente ionizado con una vacante en una de sus capas unidas. Esta vacante se llenará rápidamente con un electrón de un caparazón con una energía de unión más baja (otras capas) o mediante la captura de un electrón libre del material. La reorganización de los electrones de otras capas crea otra vacante, que, a su vez, es ocupada por un electrón de una capa de energía de unión aún más baja. Por lo tanto, también se puede generar una cascada de rayos X más característicos . La probabilidad de emisión de rayos X característica disminuye a medida que disminuye el número atómico del absorbedor. A veces, se produce la emisión de un electrón Auger.

Efecto fotoeléctrico con fotones del espectro visible en la placa de potasio – umbral de energía – 2eV

Absorción gamma por un átomo.
Fuente: laradioactivite.com/

Secciones transversales de efecto fotoeléctrico

A valores pequeños de energía de rayos gamma domina el efecto fotoeléctrico . El mecanismo también se mejora para materiales de alto número atómico Z. No es simple derivar la expresión analítica para la probabilidad de absorción fotoeléctrica de rayos gamma por átomo en todos los rangos de energías de rayos gamma. La probabilidad de absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoeléctrico)} = constante x Z ^N / E ^3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La proporcionalidad a las potencias más altas del número atómico Z es la razón principal para usar materiales con alto contenido de Z, como plomo o uranio empobrecido en escudos de rayos gamma. Aunque la probabilidad de absorción fotoeléctrica del fotón gamma disminuye, en general, con el aumento del fotón energía, hay discontinuidades bruscas en la curva de la sección transversal. Estos se llaman «bordes de absorción»y corresponden a las energías de unión de los electrones de las capas unidas a los átomos. Para los fotones con la energía justo por encima del borde, la energía del fotón es suficiente para experimentar la interacción fotoeléctrica con el electrón de la capa unida, digamos K-shell. La probabilidad de tal interacción es justo por encima de este borde, mucho mayor que la de los fotones de energía ligeramente por debajo de este borde. Para los fotones gamma por debajo de este borde, la interacción con el electrón de la capa K es energéticamente imposible y, por lo tanto, la probabilidad cae abruptamente. Estos bordes se producen también en las energías de unión de los electrones de otras capas (L, M, N … ..).

Corte transversal de efecto fotoeléctrico.