電子對(duì)效應(yīng)

作為20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的里程碑，關(guān)于電子無(wú)窮海的狄拉克理論現(xiàn)在已被普遍認(rèn)為是粒子物理基礎(chǔ)的不可分割的一部分。然而它曾有過(guò)一段難以被人們接受的時(shí)期。是1932年正電子的發(fā)現(xiàn)，以及隨后對(duì)于電子對(duì)產(chǎn)生和湮滅過(guò)程的理解，最終扭轉(zhuǎn)了對(duì)它不信任的潮流。事實(shí)上，在比1932年更早幾年的時(shí)候，電子對(duì)產(chǎn)生和湮滅的過(guò)程已從實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)了，但未能從理論上得到理解。

同第四、五周期過(guò)渡元素的性質(zhì)遞變規(guī)律相比，第五、六周期重過(guò)渡元素的相似性多于差異性，出現(xiàn)了同族元素性質(zhì)遞變的不連續(xù)性。如他們的金屬單質(zhì)都不活潑，難與稀酸反應(yīng);原子半徑和離子半徑非常接近，化學(xué)性質(zhì)非常相似，在自然界中共生，難以分離。六周期重過(guò)渡元素的相似性對(duì)這種不規(guī)則性，一般用鑭系收縮理論來(lái)解釋，即由于填充在f亞層的電子對(duì)核電荷不能完全屏蔽，從而使有效核電荷增加，引起原子半徑縮小和電離能增大。

而相對(duì)論性效應(yīng)認(rèn)為，電子的不完全屏蔽因素是由于4f和5d軌道的相對(duì)論性膨脹而遠(yuǎn)離原子核的緣故。第六周期重過(guò)渡元素的6s軌道的相對(duì)論性收縮較為顯著。這樣一來(lái)，6s電子受到的屏蔽作用就比相對(duì)論性效應(yīng)較弱的5s電子受到的屏蔽作用小，原子核對(duì)6s電子的吸引力較大，因而第六周期重過(guò)渡元素有較小的原子半徑和較大的穩(wěn)定性。

⒈在1930年5月，由三組物理學(xué)家分別獨(dú)立發(fā)表的文章。這三組物理學(xué)家是英國(guó)劍橋的塔倫特，柏林一達(dá)赫萊姆的梅特納和赫布菲爾德，以及帕薩丹那的趙忠堯。這些文章都敘述了發(fā)現(xiàn)Thc 2.65MeVg射線被重元素"反常吸收"的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

⒉趙忠堯在1930年底發(fā)表的關(guān)于他的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的文章。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)了Thc g射線在鉛上的"附加散射線"?，F(xiàn)在回顧來(lái)看，文章是代表著首次觀察到電子對(duì)產(chǎn)生的過(guò)程。而文章是首次觀察到電子對(duì)湮滅的過(guò)程。在隨后的兩年，即1931-1932年，反常吸收和附加散射線吸引著理論物理學(xué)家極大的注意，并激發(fā)著重要的進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，為了評(píng)估趙忠堯的文章的作用，在這里引述C.D.安德遜在1983年的一篇文章里寫的一段文字:"在加州理工學(xué)院做研究生論文的工作是用威爾遜云室研究X射線在各種不同氣體里產(chǎn)生的光電子的空間分布。在做這項(xiàng)工作的1927-1930年間，趙忠堯博士就在隔壁的屋子里工作。他是用驗(yàn)電器測(cè)量Thc產(chǎn)生的g射線的吸收和散射。他的發(fā)現(xiàn)引起很大的興趣。當(dāng)時(shí)人們普遍相信，來(lái)自Thc的2.6Mev的"高能"g射線的吸收，絕大多數(shù)應(yīng)是按照克菜因-仁科公式表達(dá)的康普頓碰撞。但趙博士的結(jié)果清楚地表明，這種吸收和散射顯著地大于克萊因-仁科公式的計(jì)算。由于驗(yàn)電器很難給出細(xì)致的信息，所以他的實(shí)驗(yàn)不可能對(duì)上述反常效應(yīng)做出深入的解釋。建議的實(shí)驗(yàn)是利用工作在磁場(chǎng)中的云霧室來(lái)研究Thc g射線與物質(zhì)的作用，即觀察插入云霧室中的薄鉛板上產(chǎn)生的次級(jí)電子，來(lái)測(cè)量它們的能量分布。從而研究和了解在趙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中還反映著哪些更深刻的意義。另外，哈雅卡華在一篇文章里引述了他與奧恰里尼在1980年的談話，其中說(shuō):"奧恰里尼高度評(píng)價(jià)趙的成就，并說(shuō)明趙關(guān)于Thc g射線反常吸收的工作是如何激發(fā)了他們遠(yuǎn)在英國(guó)進(jìn)行的有關(guān)研究"。

電子對(duì)效應(yīng)的解釋很多，據(jù)認(rèn)為均不甚完善。

⒈在這些族中隨原子半徑增大價(jià)軌道伸展范圍增大，使軌道重疊減小;

⒉又認(rèn)為，鍵合的原子的內(nèi)層電子增加(4d、4f…)，斥力增加，使平均鍵能降低。如:GaCl3InCl3TlCl3平均鍵能B.E./kJ·mol-1242206153

⒊人們用相對(duì)論性效應(yīng)解釋6s2惰性電子對(duì)效應(yīng)。

包括三個(gè)方面的內(nèi)容:

⒈旋軌作用

⒉相對(duì)論性收縮(直接作用)

⒊相對(duì)論性膨脹(間接作用)

即光電子動(dòng)能近似等于γ射線能量。值得注意的是，由于必須滿足動(dòng)量守恒定律，自由電子(非束縛電子)則不能吸收光子能量而成為光電子。光電效應(yīng)的發(fā)生除入射光子和光電子外，還需有一個(gè)第三者參加，這第三者就是發(fā)射光電子之后剩余下來(lái)的整個(gè)原子。它帶走一些反沖能量，但這能量十分小。由于它的參加，動(dòng)量和能量守恒才能滿足。而且，電子在原子中被束縛得越緊(即越靠近原子核的電子)，越容易使原子核參加上述過(guò)程。所以在K殼層上發(fā)生光電效應(yīng)的幾率最大。是入射光子hv發(fā)生康普頓散射的示意圖，hv'為散射光子的能量;θ為散射光子與入射光子方向間的夾角，稱散射角;Ф為反沖電子的反沖角。

在光電效應(yīng)中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光電子脫離原子束縛所需的電離能，另一部分就作為光電子的動(dòng)能。所以，釋放出來(lái)的光電子的能量就是入射光子能量和該束縛電子所處的電子殼層的結(jié)合能Br之差。雖然有一部分能量被原子的反沖核所吸收，但這部分反沖能量與γ射線能量、光電子的能量相比可以忽略。因此，E光電子=Er-Bi≈Er。

康普頓散射與光電效應(yīng)不同。光電效應(yīng)中光子本身消失，能量完全轉(zhuǎn)移給電子;康普頓散射中光子只是損失掉一部分能量。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛得最緊的內(nèi)層電子上;康普頓散射則總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。分析一下散射光子和反沖電子的能量與散射角的關(guān)系。入射光子能量為Er=hv，，動(dòng)量為hv/c，碰撞后，散射光子的能量為Er=hv'，動(dòng)量為hv'/c，反沖電子的動(dòng)能為Ee，總能量為E，動(dòng)量為P。從(2.2.8)、(2.2.9)和(2.2.10)式可以看出:

⒈當(dāng)散射角θ=0°時(shí)，散射光子能量Er=Er'，達(dá)到最大值.這時(shí)反沖電子的能量Ee=0.這就是說(shuō)，在這種情況下入射光子從電子近旁掠過(guò)，未受到散射，所以光子能量沒(méi)有損失。

⒉當(dāng)θ=180°時(shí)，入射光子與電子對(duì)心碰撞后，沿相反方向散射出來(lái)，而反沖電子沿著入射光子方向飛出，這種情況稱反散射。這時(shí)散射光子能量最小，即Er'min=Er/(1+2Er/m0c2)此式可以推斷出，即使入射光子的能量變化很大，反散射光子的能量都在200KeV左右。這也是能譜上容易辨認(rèn)反散射峰的一個(gè)原因。發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)，散射光子可以向各個(gè)方向散射。對(duì)于不同方向的散射光子，其對(duì)應(yīng)的反沖電子能量也不同。因而即使入射γ光子的能量是單一的，反沖電子的能量卻是隨散射角連續(xù)變化的。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明入射光子的康普頓反沖電子能譜。電子對(duì)效應(yīng)是γ光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下，γ光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子的過(guò)程。根據(jù)能量守恒定律，只有當(dāng)入射光子能量hv大于2m0c2，即hv>1.02MeV時(shí)，才能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。