Effet photoélectrique et diffusion Compton

[Christian Arnaud]

Amis des particules , bonjour

Concernant l'effet photoélectrique (celui qui concerne les métaux , pas celui des semi-conducteurs) , il est précisé que la totalité du photon incident atteint les couches profondes de l'atome.

En revanche , concernant la diffusion Compton , il s'agit d'une collision élastique avec un électron périphérique faiblement lié.

Alors , dans l'effet photoélectrique , comment se fait-il que le photon incident traverse les couches extérieures et atteigne les couches centrales ? Et comment le sait-on ? (quand on le détecte, on ne peut savoir de quelle couche il vient, non ?)
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[Deedee81]

Salut,

Dans l'effet photoélectrique il me semblait que c'était plutôt des électrons de conduction (donc moins liés) qui étaient éjectés. Donc à confirmer.

Sinon d'une manière générale :
- Les mesures des paramètres : longueur d'onde de seuil, énergie des électrons éjectés,... permettent de calculer l'énergie de liaison des électrons éjectés. Cela permet de savoir quels électrons sont concernés.
- Le photon n'est pas un "corpuscule". Il n'interagit pas forcément avec un électron. Il y a une question de probabilité d'interaction. Et il y a des "transitions interdites" (parce que l'énergie ne convient pas, pour des raisons de conservation du moment angulaire ou de la parité... c'est pas simple. C'est toute une grosse section dans le Landau ça)
- L'effet Compton est avec un électro libre ou faiblement lié
- l'effet photoélectrique c'est dans les UV, l'effet Compton dans les gamma

[Christian Arnaud]

Salut,

Dans l'effet photoélectrique il me semblait que c'était plutôt des électrons de conduction (donc moins liés) qui étaient éjectés. Donc à confirmer.

bonjour ,
Bin je suis parti de Wiki : Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du photon incident se transmet à l'électron des couches profondes. , et c'est ça qui m'a fait tilter

[Deedee81]

bonjour ,
Bin je suis parti de Wiki : Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du photon incident se transmet à l'électron des couches profondes. , et c'est ça qui m'a fait tilter

Je ne l'avais pas vu et c'est très bizarre. Sur l'illustration juste à droite on voit bien que cela concerne les électrons de conduction. Et dans la version anglaise ils disent bien :
"Emission of conduction electrons from typical metals requires a few electron-volt (eV) light quanta, corresponding to short-wavelength visible or ultraviolet light."
(c'est moi qui souligne).
Et ils ne parlent pas de couches profondes.

Je pense qu'ils veulent dire "profondément dans le métal" et pas "profondément dans les atomes". Une maladresse de formulation il me semble.
(mais ça reste pas très bon : si le métal fait 1cm d'épaisseur, c'est pas les électrons au milieu qui seront arrachés, c'est ceux proches de la surface. Les UV c'est des longueur d'onde inférieur au millième de mm et les métaux sont plutôt opaques).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Christian Arnaud]

- Le photon n'est pas un "corpuscule".

Oui , je sais , mais alors pourquoi écrire "Cela est facile à comprendre par analogie avec le billard : lorsque la boule blanche (photon) tape directement dans une autre boule (électron) de façon que la blanche revienne en arrière" dans la diffusion compton ? Sans doute le même traducteur Tu veux pas corriger les 2 articles de wiki français ?

[Deedee81]

Salut,

Oui , je sais , mais alors pourquoi écrire "Cela est facile à comprendre par analogie avec le billard : lorsque la boule blanche (photon) tape directement dans une autre boule (électron) de façon que la blanche revienne en arrière" dans la diffusion compton ? Sans doute le même traducteur Tu veux pas corriger les 2 articles de wiki français ?

Non, c'est correct. Comme ils le disent, c'est une analogie.
(et à une époque je rédigeais des articles wikipedia mais j'avoue ne plus avoir trop le temps d'aller chipoter dedans).

si l'on regarde la cinématique de la diffusion Compton on constate qu'elle est la même qu'en physique classique. C'est juste une conséquence des lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. Ainsi, la direction de propagation et la quantité de mouvement de l'électron et du photon avant et après collision respectent les mêmes lois que pour des boules de billard. Mais l'analogie s'arrête là (faut jamais pousser trop loin les analogies sans savoir pourquoi on se permet de faire une analogie ).
- Ainsi l'électron et le photon peuvent avoir une quantité de mouvement bien précise et donc une direction bien précise mais dans ce cas (Heisenberg oblige) leur position est très mal déterminée. Typiquement ce sont des ondes planes (en pratique, "presque" des ondes planes car les faisceaux passent dans un collimateur).
- En outre ces lois de conservation ne permettent pas de calculer l'angle de diffusion. Et la probabilité de diffusion dans telle ou telle direction (ou mieux le calcul de la section efficace différentielle) ne répond pas du tout à des lois classiques. On en est même loin.

Le seul aspect important c'est que vu les énergies en jeu, on a des longueurs d'ondes très courtes. Et comme on a presque toujours dans ces circonstances des ondes de direction bien précises mais "courtes" (paquet d'ondes), pour des raisons pratiques (pas évident de produire des rayonnements gammas intenses sous forme d'ondes sphériques), le comportement est assez proche d'un comportement corpusculaire. Ce fut même une expérience décisive historiquement montrant très clairement le deuxième visage (corpusculaire) de Janus (le photon ). En particulier parce qu'il y a modification de la longueur d'onde du photon => modification de sa quantité de mouvement (et donc le lien cinématique avec la physique classique) et à cause des courtes longueurs d'onde peu de diffraction (voir ci-dessous).

A plus basse énergie, diffusion Rayleigh ou Thomson, les longueurs d'onde étant grandes le comportement est essentiellement ondulatoire. Et, c'est assez ironique, là, la physique classique marche assez bien (mais la physique ondulatoire, pas le billard, Maxwell qualité filtre quoi).

On voit bien ce comportement suivant la longueur d'onde avec des machins classiques. Par exemple le "rai" de lumière qui passe à travers un trou (longueur d'onde << trou). Mais une vague complètement dispersée par un obstacle (longueur d'onde ~ taille de l'obstacle). C'est lié au mécanisme de diffraction et le caractère ondulatoire est flagrant quant il y a diffraction alors qu'avec une diffraction modeste l'approximation géométrique marche bien (mais faut un ingrédient en plus pour avoir le comportement corpusculaire, l'ingrédient quantique, une vague n'est pas un électron )

[Christian Arnaud]

En particulier parce qu'il y a modification de la longueur d'onde du photon )

Je pensais que c'était plutôt une absorbtion suivie d'une émission

Et aussi , en fouillant toujours dans le wiki français (oui, je sais , dans l'article sur les photons gamma , on trouve : "Dans l'effet photoélectrique, un photon gamma interagit avec la matière en transférant l'intégralité de son énergie à un électron d'orbitale qui est alors éjecté de l'atome auquel il était lié" , ce qui voudrait dire que photon gamma et effet compton ne sont pas étroitement liés, mais que l'EPE provient d'un photon d'énergie suffisante pour rompre l'attachement de l'électron orbital , qu'il soit UV ou plus. Et d'ailleurs , dans ce type d'interaction ( EPE ou compton ), quand l'énergie incidente dépasse l'énergie de seuil , qu'est-ce qui fait que l'énergie disponible soit entièrement transmise à l'électron sous forme cinétique (interaction EPE ) plutôt que d'éclater en deux (un électron + un photon ; effet Compton) ?

[Deedee81]

Salut,

Je pensais que c'était plutôt une absorbtion suivie d'une émission

On peut le dire comme ça mais méfiance, ne pas donner trop vite une "réalité physique" à un diagramme de Feynman isolé.

qu'est-ce qui fait que l'énergie disponible soit entièrement transmise à l'électron sous forme cinétique (interaction EPE ) plutôt que d'éclater en deux (un électron + un photon ; effet Compton) ?

La présence d'un tiers amha (je reste prudent, on arrive à des détails qui risquent d'être plus compliqué), je veux dire l'atome ou le reste du matériau.

Un électron seul tout nu tout cru ne peut pas absorber entièrement le photon (impossible de respecter à la fois la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement). Par contre si un tiers est là pour absorber une partie de la quantité de mouvement.... pas de problème.

Après, pourquoi un processus plutôt que l'autre, c'est amha question de probabilité des différents processus. Pas facile à calculer !!!!!! Et il doit pouvoir arriver qu'on a... un peu des deux (le photon est réémit avec longueur d'onde plus faible et l'électron est arraché et acquiert de l'énergie cinétique).

[Christian Arnaud]

On peut le dire comme ça mais méfiance, ne pas donner trop vite une "réalité physique" à un diagramme de Feynman isolé.



amha (je reste prudent, on arrive à des détails qui risquent d'être plus compliqué).....c'est amha

oK ? Deedee , si toi tu commences à mettre des amha et des "c'est compliqué" , c'est qu'il y a à creuser ; je t'envoie un MP

[Christian Arnaud]

Bon , je crois qu'on reprendra éventuellement le sujet d'ici un mois ou deux ; tu peux fermer Deedee ;
Merci à tous les participants

[Deedee81]

Bon , je crois qu'on reprendra éventuellement le sujet d'ici un mois ou deux ; tu peux fermer Deedee ;
Merci à tous les participants

On ne sait jamais si quelqu'un a une info (ou une question complémentaire), je vais laisser ouvert.

[Christian Arnaud]

alors j'en profite pour insister un peu sur la distinction UV vs gamma pour provoquer respectivement de l'EPE et du Compton :

Prenons un photon UV-dur (proche des X) de 10nm (soit un peu plus de 100 ev ) projeté sur du zinc pour lequel il faut 4,3 ev pour éjecter un électron de conduction.
Après collision, il reste environ 96 ev , soit de quoi émettre encore un photon UV dur. Et donc , dans cet exemple on aurait un photon UV qui serait diffusé en compton , et pas simplement de l'EPE , non ?

[Deedee81]

Salut,

Prenons un photon UV-dur (proche des X) de 10nm (soit un peu plus de 100 ev ) projeté sur du zinc pour lequel il faut 4,3 ev pour éjecter un électron de conduction.
Après collision, il reste environ 96 ev , soit de quoi émettre encore un photon UV dur. Et donc , dans cet exemple on aurait un photon UV qui serait diffusé en compton , et pas simplement de l'EPE , non ?

Je suis d'accord que c'est possible. Mais je serais bien en peine de calculer la proportion des cas où ça se produit ou pas !!!

[Deedee81]

Je suis d'accord que c'est possible. Mais je serais bien en peine de calculer la proportion des cas où ça se produit ou pas !!!

Après réflexion ça ne doit pas être si difficile à estimer, la section efficace de l'effet Compton est archi connue. Je connais moins bien EPE mais on doit pouvoir trouver la section efficace. Yapuka comparer

[Christian Arnaud]

Désolé , je ne connais pas le langage pour les formules , mais voici ce qu'on trouve dans le wiki français pour l'EPE :

L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace croît rapidement avec le numéro atomique Z :

σ P E = Z n E g 3.5 {\displaystyle \sigma _{PE}={\frac {Z^{n}}{{E_{g}}^{3.5}}}} \sigma _{PE}=\frac{Z^n}{{E_g}^{3.5}}

où n {\displaystyle n} n varie de 4 à 5.

[Christian Arnaud]

mais c'est encore plus explicite dans le dernier paragraphe du wiki anglais (Photoelectric effect ) :

Competing processes and photoemission cross section

When photon energies are as high as the electron rest energy of 511 keV, yet another process, the Compton scattering, may take place. Above twice this energy, at 1.022 MeV pair production is also more likely.[63] Compton scattering and pair production are examples of two other competing mechanisms.

Even if the photoelectric effect is the favoured reaction for a particular interaction of a single photon with a bound electron, the result is also subject to quantum statistics and is not guaranteed. The probability of the photoelectric effect occurring is measured by the cross section of the interaction, σ. This has been found to be a function of the atomic number of the target atom and photon energy. In a crude approximation, for photon energies above the highest atomic binding energy, the cross section is given by:[64]

σ = c o n s t a n t ⋅ Z n E 3 {\displaystyle \sigma =\mathrm {constant} \cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}} \sigma ={\mathrm {constant}}\cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}

Here Z is the atomic number and n is a number which varies between 4 and 5. The photoelectric effect rapidly decreases in significance in the gamma-ray region of the spectrum, with increasing photon energy. It is also more likely from elements with high atomic number. Consequently, high-Z materials make good gamma-ray shields, which is the principal reason why lead (Z = 82) is preferred and most widely used.[65]

[XK150]

Salut ,
Tout cela est bien expliqué dans les cours qui étudient l'atténuation des gammas . Au plus simple :
https://www.laradioactivite.com/site...electrique.htm
https://www.laradioactivite.com/site...et_Compton.htm
Avec leur zones d'action préférentielles . Il existe plus détaillé .

[Christian Arnaud]

Oui , merci , c'est assez clair en effet concernant la répart Compton/EPE ; mais c'est très orienté radioactivité et ancien modèle de Bohr

Et on retombe vite sur le problème de début de discussion concernant les électrons touchés par l'EPE :

Dans cette plage d’énergie, on le voit très variable, le phénomène concerne tous les électrons de l’atome, alors que dans l’effet photoélectrique ce sont les deux électrons de la couche K la plus interne qui jouent un rôle.

L'EPE y semble associée avec l'éjection d'électrons des couches profondes par des gammas ou X , ce qui fait que l'action des visibles ou UV n'est que peu abordée