Digamos que un fotón choca contra un átomo.
¿Qué determina si se producirá un efecto fotoeléctrico (el fotón es absorbido, el electrón es liberado) o si se producirá una dispersión Compton (el fotón es dispersado con cierto ángulo, y el electrón es liberado con otra dirección)?
Para un sistema dado en el que se encuentra el electrón, el principal determinante es la energía del fotón. Como señala @DJBunk, se trata de un proceso mecánico cuántico, por lo que la "elección" es fundamentalmente aleatoria. Una interacción dada ocurrirá con una probabilidad proporcional a su sección transversal. Figura 1 de esta conferencia muestra cómo la sección transversal para cada proceso posible varía con la energía del fotón. Este gráfico corresponde a la interacción de fotones con electrones en el cobre. A bajas energías, el efecto fotoeléctrico es el dominante. De unos 200 keV a unos 10 MeV, la dispersión Compton es el efecto dominante. Por encima de 10 MeV, el efecto dominante es la producción de pares. A una energía fotónica dada, la probabilidad relativa de dos procesos sería la relación de sus secciones transversales.
La dependencia de cada sección transversal con la energía del fotón debería ser similar en forma para cualquier sistema; los números exactos variarán de un sistema a otro. La tabla 2 de esa conferencia da la dependencia del número atómico, por ejemplo.
Es la energía del fotón incidente.
A baja energía (longitudes de onda largas como en ondas de radio y microondas, luz visible) dominaría la dispersión de Rayleigh, en la que el fotón dispersado tendría la misma longitud de onda que el fotón incidente.
A mayor energía (longitudes de onda más cortas como en el espectro Ultravioleta), el electrón absorbería la energía del fotón incidente (suponiendo que la frecuencia del fotón incidente esté por encima de la frecuencia de corte) y el electrón sería expulsado (aquí no hay fotón disperso, ha sido absorbido por el electrón)...Dominaría el Efecto Fotoeléctrico.
A energías extremadamente altas (Rayos X y Gamma), la energía del fotón incidente es demasiado alta para que el electrón pueda absorberla y mantener la conservación de la Energía-Momento (y por eso la Fotoeléctrica se observa en electrones ligados mientras que la Dispersión Compton se observa en Electrones "Libres"). Como el fotón incidente ha transferido parte de su energía al electrón con el que colisiona, se dispersará pero ahora con menos energía. La dispersión Compton dominaría.
Cuando un fotón interactúa con un átomo, pueden producirse diversos procesos. Usted menciona el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton (dispersión inelástica no resonante), pero también puede haber dispersión elástica o dispersión inelástica resonante (si la energía del fotón incidente se ajusta a una energía de transición atómica). Esta lista no es en absoluto exhaustiva.
Para cada uno de estos procesos, es posible calcular (o medir) una sección transversal que determina la frecuencia relativa con la que se produce un suceso dado un gran número de fotones que inciden sobre el átomo.
Ahora, para llegar a su pregunta real. Usted pregunta qué determina que se produce el suceso. Se trata de una cuestión fundamental de la mecánica cuántica, que a menudo se denomina "problema de la medición". Consideremos un universo formado únicamente por un fotón que vuela hacia un átomo. Si adelantamos el tiempo hasta mucho después de que el fotón haya alcanzado el átomo, el sistema se encontrará en una superposición de estados que incluye todos los procesos posibles (con la ponderación correcta para dar las probabilidades relativas). No es hasta que el sistema interactúa con un dispositivo de medición mayor ("clásico") cuando se selecciona uno de los muchos procesos ("la función de onda colapsa"). Según la interpretación habitual de la mecánica cuántica, la rama que se produce viene determinada simplemente por la probabilidad, sin que nada en particular provoque la selección.
Por supuesto, existen dificultades conceptuales en torno a dónde debe estar el límite entre los sistemas "clásicos" y "cuánticos". Quizá le interese leer sobre la "decoherencia" como posible mecanismo del colapso aparente de la función de onda.
El efecto fotoeléctrico acopla dos estados de electrones cuya diferencia de frecuencia es igual a la frecuencia de la luz incidente. El efecto Compton acopla dos estados electrónicos cuya longitud de onda estacionaria es igual a la longitud de onda de la luz incidente.
Explico cómo la interacción de longitud de onda explica el Efecto Compton en este blogpost .
En la medida en que soy capaz de comprender su pregunta, la respuesta a la misma se encuentra, según yo, como todos sabemos los electrones están presentes en el átomo dispuestos en un conjunto de orbitales (no órbitas) para que un electrón se mueva a la siguiente cáscara u orbital, se requiere una cantidad específica de energía (que depende del átomo en particular). en fisica, principalmente en quantum nada se hace a medias, asi cuando un foton choca, para que cambie su nivel de energia debe llevar esa energia (equivalente al umbral), si lo hace entonces la fotoelectrica funciona -si no, el electron lo empujaria hacia atras! me gustaria añadir que todo esto esta relacionado con la teoria de bandas asi que para una mejor comprension leedla una vez. Todo lo que dice es que hay ciertos espacios entre las bandas (orbitales dispuestos juntos) por lo tanto se necesita una mayor cantidad de energia para hacer que salte. Y te pido disculpas por mi gesto inmaduro, seguramente obedeceré tus instrucciones.
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