115年:醫物幅安(2)
當光子與物質發生光電效應時，下列敘述何者最適當？
A光子將能量轉移給原子核，並產生一個正電子、一個負電子
B光子完全消失，並將能量傳給內層電子，使其脫離原子
C光子完全消失，並激發外層電子，使其躍遷至更外層
D光子與電子碰撞後，改變自身行進方向並產生散射
詳細解析
本題觀念
光電效應（photoelectric effect）是光子與原子作用時被整個吸收，光子的能量轉移給束縛電子，使電子克服束縛能而離開原子，這個逸出的電子稱為光電子。判斷本題的核心不是只看有沒有電子被打出，而是確認入射光子最後是否仍存在：光電效應中光子完全消失，能量分成移除電子所需的束縛能與光電子的動能。
選項分析
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A 不適當。 光子轉換成一個正電子與一個負電子，是成對產生（pair production）的描述，需要高能光子在原子核場附近作用；它不是光電效應。光電效應的主要受作用者是束縛電子，結果是逐出一個光電子，而不是同時形成正、負電子對。
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B 最適當。 光電效應中，入射光子被原子完全吸收，能量交給內層束縛電子。只要光子能量足以克服該電子的束縛能，電子就會脫離原子成為光電子。這完整描述了光電吸收的能量去向與直接結果。
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C 不適當。 若光子只讓外層電子吸收能量並躍遷到更高能階，電子仍留在原子內，這屬於激發，而不是光電游離。光電效應的辨識重點是電子已離開原子，不能把「躍遷」與「脫離」視為同一件事。
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D 不適當。 入射光子與電子作用後改變方向，且仍留下散射光子，符合 Compton 散射。光電效應則沒有殘留的入射光子，因為整個光子已被吸收；因此 D 描述的是另一種光子交互作用。
答案解析
光電效應可用能量守恆表示：入射光子能量先支付內層電子的束縛能，剩餘部分成為光電子動能。因為光子已整個被吸收，所以不會像 Compton 散射一樣留下改變方向的散射光子；也不會像成對產生一樣形成正電子與負電子。若電子只是升到更高能階而未離開原子，則是激發。綜合判斷，只有 B 同時符合「光子完全消失」「內層電子」與「電子脫離原子」三個條件。
核心知識點
- 光電效應： 入射光子完全被原子吸收，內層電子取得能量後成為光電子。
- 能量分配： 光子能量 = 電子束縛能 + 光電子動能；若能量不足以克服束縛能，就不能造成該層電子游離。
- 激發的差異： 激發只把電子推到較高能階，電子仍屬於原子；光電效應則使電子離開原子。
- Compton 散射的差異： Compton 作用後仍有散射光子，入射方向改變；光電效應沒有殘留的入射光子。
- 成對產生的差異： 高能光子在原子核場附近轉換成一個電子與一個正電子，和內層電子被逐出的光電效應不同。
- 快速判斷： 看到「光子完全吸收、內層電子脫離」選光電效應；看到「散射光子」選 Compton 散射；看到「正電子加負電子」選成對產生；看到「只升高能階」選激發。