Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Эффект Комптона.

Взаимодействие ренгеновского излучения с веществом.

При прохождении рентгеновских лучей через какое-нибудь твердое, жидкое или газообразное вещество они взаимодействуют с электронами, ;i при очень большой жесткости и ядрами атомов элементов, входящих в состав вещества и при этом теряют часть своей энергии вследствие:

 

1) истинного поглощения, т.е. превращения их энергии в другие виды энергии;

 

2) рассеяния, т.е. изменения направления распространения лучей без изменения длины и с изменением длины волны.

 

Первичными элементарными процессами истинного поглощения рентгеновского излучения, т.е. преобразования их энергии в кинетическую энергию электронов являются:

 

а) фотоэлектрический эффект — вырывание электронов из атомов поглощающего вещества и сообщение им кинетической энергии (фотоэлектрическое поглощение);

 

б) комптон-эффект — когерентное и некогерентное рассеяние, т.е. с изменением длины волны и передачей части энергии рассеивающему электрону;

 

в) образование элементарных пар зарядов — электрона и позитрона — и сообщение им кинетической энергии. Эти виды взаимодействия показаны на схеме.

 

Суммарная кинетическая энергия может распределяться между электроном и позитроном различным образом: одинаково или со всеми возможными значениями энергии с выполнением законов сохранения заряда и количества движения. Так как заряды позитрона и электрона равны по величине, но противоположны по знаку, то суммарный заряд равен нулю.

 

В отличие от фотоэффекта и комптон-эффекта, вероятность которых сильно уменьшается с увеличением энергии фотонов, эффект образования пар происходит тем чаще, чем выше энергия фотонов.

 

Относительная роль этих трех процессов взаимодействия рентгеновских лучей с веществом зависит от энергии квантов (фотонов) и атомного номера атома поглощающего вещества. Для данного вещества каждый вид взаимодействия фотона с веществом преобладает в определенном интервале энергий. Для фотонов малых энергий (мягких рентгеновских лучей) основную роль при поглощении играет фотоэффект. При лучах средней жесткости наряду с фотоэффектом все большее значение приобретает комптон-эффект, который начинает играть преобладающую роль при жестки лучах. Наконец, при очень жестких лучах наибольшее значение имеет эффект образования пар.

 

Так как фотоэффект и комптон-эффект уменьшаются, а эффект образования пар увеличивается с возрастанием энергии фотонов, то полный суммарный коэффициент поглощения сначала уменьшается, а затем снова возрастает с увеличением жесткости излучения. Энергия фотонов, при которой полный коэффициент поглощения достигает минимума, зависит от атомного номера поглощающего вещества. Например, минимум коэффициента поглощения в свинце соответствует фотонам с энергией около 3 МГЭВ, для алюминия около 20 мгэМ.

 

Если вещество имеет сложный состав, то величины г и Я определяются для каждого компонента отдельно.

 

Кроме первичных процессов взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (возникновение фотоэлектронов и характеристического излучения при поглощении и электронов отдачи и рассеянного излучения — при рассеянии) происходят вторичные взаимодействия возникших электронов с поглощающим веществом. Вторичные электроны, освобожденные первичными фотоэлектронами и электронами отдачи, имеют небольшие скорости, быстро затормаживаются и могут вызывать медленные третичные электроны, которые поглощаются атомами вещества и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Полная цепь превращений энергии, происходящих при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом, представлена на рис. 4.11.

 

Наибольшая толщина слоя вещества, которую преодолевают наиболее быстрые фотоэлектроны, называется «предельной толщиной», зависящей от начальной скорости первичных фотоэлектронов и обратно пропорциональна плотности поглощающего вещества.

 

При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом возможно возникновение эффекта Оже, при котором возбужденный атом расходует энергию на вылет собственного электрона. Электроны Оже — это, такие электроны, которые при взаимодействии с, атомами вещества создают вторичные электроны и вторичное рентгеновское излучение. Такие процессы размена энергии фотонов и электронов происходят до тех пор, пока их энергия не станет меньше энергии связи электронов в атоме.

 

Рентгеновское излучение, так же как и другие виды пони шрующего излучения, обладав! биологическим действием, 1>п<>логические процессы, происходящие в молекулах, клетках и организме в целом под действием рентгеновского излучения, обусловлены ионизацией и возбуждением атомов и молекул, становящихся химически активными и вызывающих физико-химические изменения в клетках и межклеточном веществе. Применение источников рентгеновского излучения требует соблюдения радиационной защиты от поражения ионизирующим излучением.

Эффект Комптона.

ЭффектКомптона — рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля - фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.

Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией Е = h = hc/ (h – постоянная Планка, – частота электромагнитной волны, – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию Е' = h' (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона ' увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину

Где - угол рассеяния фотона, а me - масса электрона.