电子对效应

作为20世纪物理学发展的里程碑，关于电子无穷海的狄拉克理论现在已被普遍认为是粒子物理基础的不可分割的一部分。然而它曾有过一段难以被人们接受的时期。是1932年正电子的发现，以及随后对于电子对产生和湮灭过程的理解，最终扭转了对它不信任的潮流。事实上，在比1932年更早几年的时候，电子对产生和湮灭的过程已从实验上被发现了，但未能从理论上得到理解。

同第四、五周期过渡元素的性质递变规律相比，第五、六周期重过渡元素的相似性多于差异性，出现了同族元素性质递变的不连续性。如他们的金属单质都不活泼，难与稀酸反应;原子半径和离子半径非常接近，化学性质非常相似，在自然界中共生，难以分离。六周期重过渡元素的相似性对这种不规则性，一般用镧系收缩理论来解释，即由于填充在f亚层的电子对核电荷不能完全屏蔽，从而使有效核电荷增加，引起原子半径缩小和电离能增大。

而相对论性效应认为，电子的不完全屏蔽因素是由于4f和5d轨道的相对论性膨胀而远离原子核的缘故。第六周期重过渡元素的6s轨道的相对论性收缩较为显著。这样一来，6s电子受到的屏蔽作用就比相对论性效应较弱的5s电子受到的屏蔽作用小，原子核对6s电子的吸引力较大，因而第六周期重过渡元素有较小的原子半径和较大的稳定性。

⒈在1930年5月，由三组物理学家分别独立发表的文章。这三组物理学家是英国剑桥的塔伦特，柏林一达赫莱姆的梅特纳和赫布菲尔德，以及帕萨丹那的赵忠尧。这些文章都叙述了发现Thc 2.65MeVg射线被重元素"反常吸收"的实验现象。

⒉赵忠尧在1930年底发表的关于他的另一个实验的文章。在这个实验中，他发现了Thc g射线在铅上的"附加散射线"。现在回顾来看，文章是代表着首次观察到电子对产生的过程。而文章是首次观察到电子对湮灭的过程。在随后的两年，即1931-1932年，反常吸收和附加散射线吸引着理论物理学家极大的注意，并激发着重要的进一步的实验研究，为了评估赵忠尧的文章的作用，在这里引述C.D.安德逊在1983年的一篇文章里写的一段文字:"在加州理工学院做研究生论文的工作是用威尔逊云室研究X射线在各种不同气体里产生的光电子的空间分布。在做这项工作的1927-1930年间，赵忠尧博士就在隔壁的屋子里工作。他是用验电器测量Thc产生的g射线的吸收和散射。他的发现引起很大的兴趣。当时人们普遍相信，来自Thc的2.6Mev的"高能"g射线的吸收，绝大多数应是按照克菜因-仁科公式表达的康普顿碰撞。但赵博士的结果清楚地表明，这种吸收和散射显著地大于克莱因-仁科公式的计算。由于验电器很难给出细致的信息，所以他的实验不可能对上述反常效应做出深入的解释。建议的实验是利用工作在磁场中的云雾室来研究Thc g射线与物质的作用，即观察插入云雾室中的薄铅板上产生的次级电子，来测量它们的能量分布。从而研究和了解在赵的实验结果中还反映着哪些更深刻的意义。另外，哈雅卡华在一篇文章里引述了他与奥恰里尼在1980年的谈话，其中说:"奥恰里尼高度评价赵的成就，并说明赵关于Thc g射线反常吸收的工作是如何激发了他们远在英国进行的有关研究"。

电子对效应的解释很多，据认为均不甚完善。

⒈在这些族中随原子半径增大价轨道伸展范围增大，使轨道重叠减小;

⒉又认为，键合的原子的内层电子增加(4d、4f…)，斥力增加，使平均键能降低。如:GaCl3InCl3TlCl3平均键能B.E./kJ·mol-1242206153

⒊人们用相对论性效应解释6s2惰性电子对效应。

包括三个方面的内容:

⒈旋轨作用

⒉相对论性收缩(直接作用)

⒊相对论性膨胀(间接作用)

即光电子动能近似等于γ射线能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子(非束缚电子)则不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但这能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧(即越靠近原子核的电子)，越容易使原子核参加上述过程。所以在K壳层上发生光电效应的几率最大。是入射光子hv发生康普顿散射的示意图，hv'为散射光子的能量;θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角;Ф为反冲电子的反冲角。

在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能Br之差。虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与γ射线能量、光电子的能量相比可以忽略。因此，E光电子=Er-Bi≈Er。

康普顿散射与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子;康普顿散射中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上;康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。分析一下散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。入射光子能量为Er=hv，，动量为hv/c，碰撞后，散射光子的能量为Er=hv'，动量为hv'/c，反冲电子的动能为Ee，总能量为E，动量为P。从(2.2.8)、(2.2.9)和(2.2.10)式可以看出:

⒈当散射角θ=0°时，散射光子能量Er=Er'，达到最大值.这时反冲电子的能量Ee=0.这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光子能量没有损失。

⒉当θ=180°时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。这时散射光子能量最小，即Er'min=Er/(1+2Er/m0c2)此式可以推断出，即使入射光子的能量变化很大，反散射光子的能量都在200KeV左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射γ光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都表明入射光子的康普顿反冲电子能谱。电子对效应是γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hv大于2m0c2，即hv>1.02MeV时，才能发生电子对效应。