Фотоэффект

При фотоэффекте фотон с энергией E _g передает всю свою энергию электрону, принадлежащему одной из внутренних оболочек K, L и т.д. Часть полученной энергии расходуется электронами на преодоление энергии связи с ядром (E_K, E_L, …), а основная часть энергии остается у высвобожденного электрона в качестве его кинетической энергии , которая равна:

, (4.19)

где – энергия падающего фотона; – энергия связи орбитального K -, L - и т.п. электрона; Е _я – энергия отдачи ядра.

Величина энергии отдачи ядра обычно мала (однако фотоэффект не может происходить на свободном электроне: без ядра отдачи невозможно выполнить закон сохранения импульса) и поэтому членом Е _я в уравнении (4.19) можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона будет определяться уравнением:

. (4.20)

Схематично явление фотоэффекта представлено на рис. 4.13.

Фотоэлектрон движется почти перпендикулярно к направлению распространения поглощенного фотона. Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято электроном с более высокой оболочки, при этом выделяется энергия в виде характеристического излучения (флуоресценции). Вместе с тем, переходить из ионизированного состояния в основное атом может и без испускания характеристического излучения, которое, в свою очередь, может вызвать внутренний фотоэффект внешних валентных электронов и вырвать их из атома. Атом может быть дважды и трижды ионизированным.

Это явление впервые объяснил французский ученый Оже, поэтому оно называется эффектом Оже. А электроны, высвобожденные из атома, называются электронами Оже.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения при энергии фотонов ниже 0, 5 МэВ для тяжелых атомов и ниже 50 кэВ для легких. Например, фотоэффект на атомах свинца является основным при энергии фотона ниже 600 кэВ, а на атомах алюминия – ниже 60 кэВ. Для большинства атомов фотоэффект происходит с вероятностью до 80 % на электронах K‑ оболочки.

4.4.2. Комптоновское рассеяние γ -квантов

Кроме фотоэффекта, при котором вся энергия γ -кванта переходит к орбитальному электрону, возможно такое взаимодействие γ -излучения с атомами среды, при котором происходит отклонение γ -квантов от первоначального направления на некоторый угол. Иными словами, происходит не поглощение, а рассеяние γ -квантов вследствие их столкновения с электронами. Возможно упругое и неупругое рассеяние γ -квантов молекулами среды.

В первом случае, характерном для мягкого электромагнитного излучения, рассеяние происходит без изменения длины волны. Если фотонное излучение имеет энергию меньше, чем энергия связи орбитального электрона в атоме, то возможно, что излучение, рассеянное одним электроном, будет интерферировать с излучением, рассеянным другим. Этот процесс называется когерентным рассеянием, он становится заметным при малых энергиях фотонов, и рассеяние происходит без вырывания электрона. При когерентном рассеянии атом в целом от фотонного излучения получает незначительную энергию. В практических задачах когерентное рассеяние не учитывается. Лишь в некоторых случаях, например, при прохождении узких пучков излучения в веществе, когерентное рассеяние может дать существенный вклад в характеристику поля излучения.

Во втором случае, характерном для жесткого рентгеновского и γ -излучения, длина волны рассеянного фотона возрастает. Рассеяние электромагнитного излучения с изменением длины волны было открыто и детально изучено американским физиком Комптоном.

Комптон-эффект – это неупругое столкновение фотонов с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается. Отраженный фотон называется вторичным (или рассеянным). Комптоновское рассеяние может происходить на свободных или на слабо связанных (внешних) электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия фотонов во много раз превышает энергию связи электрона. В отличие от фотоэффекта комптоновское рассеяние не приводит к полному поглощению γ -кванта.

Рис. 4.14. Схема комптоновского рассеяния фотонов

При комптоновском рассеянии фотон с энергией , взаимодействуя с электронами внешних оболочек атома, передает часть кинетической энергии электрону, а сам рассеивается с меньшей энергией (рис. 4.14).

В результате комптоновского рассеяния вместо первичного фотона с энергией появляется рассеянный фотон с энергией и электрон с кинетической энергией . Выполнение законов сохранения энергии и импульса приводит к уравнению, связывающему энергии первичного фотона , рассеянного фотона и угол рассеяния q_g:

, (4.21)

где – энергия покоя электрона, которая численно равна 511 кэВ.

При малых углах рассеяния q_g» 0, энергия рассеянного фотона практически равна энергии падающего фотона, при этом энергия электрона минимальна.

При лобовом столкновении фотона и электрона (q_g » p) электрон приобретает максимальную энергию и движется в направлении падающего фотона, а рассеянный (вторичный) фотон движется в противоположном направлении.

Вероятность процесса комптоновского рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в единице объема вещества, поэтому сечение комптон-эффекта , где N – число атомов в единице объема вещества. Сечение комптоновского рассеяния изменяется пропорционально Z/E _γ :

. (4.22)

Для веществ с малым и средним Z процесс комптоновского рассеяния является преобладающим для фотонов с энергией более 200 кэВ, а в области энергии фотонов около 1 МэВ данный вид взаимодействия является основным процессом взаимодействия γ -излучения с веществом не зависимо от Z.

Многократный процесс рассеяния за счет комптон-эффекта приводит, в конечном счете, к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомами среды.