光子与电子碰撞会发生什么？深层分析光子与电子的转换

简单来说有两种情况：

如果电子被松散地束缚（准自由电子），则将导致康普顿散射，导致光子能量的降低（波长增加）。光子撞击电子并提供一些能量，并以更大的波长朝着不同的方向行进。电子将获得动能并向其他方向移动，这有点像桌球相撞的情况。

如果电子束缚在原子核外的轨道中，则可能发生光电效应或者光热效应。如果光子的能量足够大，可以从原子中把电子“踢”出去，那么就构成了光电效应。如果能量不够大，但电子被扰动了下，那么就可能造成光热效应；如果光子能量太小，电子根本不咬它，则光子将不受影响地通过。

原子核外的电子轨道

不同的原子其中电子的轨道是不同的。例如，氢原子只有一个电子，但具有多个电子轨道，不同的轨道代表着氢原子那个唯一的电子的不同能态（或者能级）——3个激发态和1个基态。

这三个激发态是氢原子的稳定能级。基态是没有能量激发时电子最有可能出现的轨道。

请记住，基态也是电子稳定的能级。下图可以让您更好地了解这些能级：

上图：原子能级。

通常情况下，说光子撞击电子是不确切的，应该说光子会被电子吸收。但子康普顿散射的情况下，光子和电子之间表现得更像是“撞击”。

光子和电子相遇发生的事情

简单地说，光子是与其辐射频率成比例的能量包。实际上光子的本质就是能量激起的一种波。

当光子和电子相遇时，能量将在光子和电子之间转移，其能量转给了电子，使得电子变得被“激发”，电子因此具有了从基态向更高能级移动的能量。

电子在当前轨道出现的概率随之突然变得很小，而在更高能级的某个轨道上出现的概率变得极大，这个过程有点像空间传输——突然从一地消失，从另一地出现，但实际上只是一种概率分布的改变——因为电子也是一种波。围绕原子核的电子实际上是一种分布在不同能级轨道上的波，只是由于能量的干扰，使得电子在各轨道上能够被探测到的概率分布发生了改变。

上图：光子与电子相遇的两个过程。先吸收（左），再发射（右）。

但是由于核电荷的存在，电子在高能级轨道分布概率的上升导致了电势的上升，使得电子相对于核电荷的点位存储了过多的能量。这就像是让跳伞运动员站到了跳伞塔上，具备了更多的高度势能。于是电子就会在没有额外能量的干扰的情况下，准备“跳伞”。这个跳伞动作电子自己是不能控制的，一旦没有了外部能量的持续支持，电子脚下就“虚空”了，就必须跳。

这一跳并不是落下去那么简单，这个过程还伴随着能量的释放——以光的形式。也就是说，把刚才吸收的能量吐出来（既然你已经回到了地面）。如果入射光子能量足够大，足以敲击内层电子，则甚至可能导致产生次级的X射线辐射，这是由于填充在内层的电子被激发后，外层的电子跳入内层填充，就会以辐射形式（通常位于X射线光谱中）发出较高的能量。

这就是光子遇到电子发生的基本情况。

但是如开头我们简述的那样有两种不同的情况:

康普顿散射由亚瑟·荷里·康普顿（Arthur Holly Compton）发现的康普顿散射是带电粒子（通常是电子）对光子的散射，即入射光子（可能是X射线或伽马射线光子）经过原子时能量会减少（波长增加），这个过程被称为康普顿效应。输入光子的部分能量会转移到反冲电子上，而当带电粒子将其部分能量转换为光子时，又会继续发生康普顿逆散射。

康普顿散射通常是高能光子通过带电粒子可能发生的情况，因为原子的最外层的电子是自由的，更容易产生这种光的非弹性散射效应。通过的光子的波长变化被称为康普顿位移。康普顿散射表现了光子的粒子性。

光电效应

光电效应就比较通俗了。高中物理也有介绍，简单说就是光子的能量比较大，把原子核里面的电子给打出来变成了可以自由溜达的自由电子，大量的自由电子形成电流就成就了光电效应。

但关于光电效应中光子遇到电子的情景，还有下面一些重要的行为特征：

每个光子仅与一个电子相互作用

光子把能量传递给电子，然后就消失（因为光子是一包纯能量，没有别的什么东西）。因此，电子吸收了光子之后就具有了额外的能量。如果有了足够的额外能量，就可能会离开金属原子（非金属基本上不可能产生光电效应，因为原子核把它的电子管得太紧））——这也意味着只有具有足够能量的光子才会导致电子离开金属原子。但总之，一个光子只能跟一个电子发生作用，而不会同时激发多个电子。

只有高于阈值频率的光子才会引起光电效应

更亮的光只是意味着每秒传递更多的能量（光子）包，而每个包的能量是不变的。而光子能量是随着频率升高而升高的，因此，如果没有足够高频率的光，那么光是提高亮度也是没有办法产生光电效应的。也就是说某些光子对于某些金属而言并不能导致光电效应的，因此也不是所有金属都适合作为光电效应的介质，不同的金属产生光电效应的光子的频率阈值也是不一样的。

对于给定的金属表面，存在一定的入射辐射最小频率，在该频率下，不发射光电子。该频率称为阈值频率。

每个光子都会产生光电子吗？

假设我们在阈值满足光电效应的频率阈值，那么光子何时到达还有其他事情要考虑。

实际上，光子可以轻松地在原子之间穿过甚至穿过原子内部（原子内部很空旷），也不会撞击电子。因此，光子最终击中电子时，有许多可能的情况：

光子在金属表面撞击电子。电子利用它获得的能量离开原子并逃逸——这就成了光电效应。

光子在金属表面撞击电子。电子离开原子，但进入更深的金属，但无法逃脱——这在金属内形成了电流，这种电流会在金属内部转化为热能，表现出光的热效应。

光子在撞击电子之前先深入金属，随后导致电子离开原子，朝表面逃逸——这还是光电效应。

光子在撞击电子之前先深入金属，电子受激离开原子并朝着表面前进，但是电子能量不足，无法越过所有其他原子到达表面，因此电子会停止在金属内部，并且永远不会逸出——光子能量变成了热能，表现为光的热效应。

上图：太阳能电池板中，光子被吸收（左），和电子突破束缚形成自由电子（右）。

因此，实际上，到达金属的光子中只有很小一部分会导致电子被发射出去，大部分都变成了热能。