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技術文章

γ射線的基本效應

2016/11/2 14:24:56

當γ射線通過物質并與原子相互作用時會產生光電效應、康普頓效應和正負電子對三種效應。
康普頓效應
1923年美國物理學家康普頓(A.H.Compton)發現X光與電子散射時波長會發生移動,稱為康普頓效應。
γ光子與原子外層電子(可視為自由電子)發生彈性碰撞,γ光子只將部分能量傳遞給原子中外層電子,使該電子脫離核的束縛從原子中射出。光子本身改變運動方向。被發射出的電子稱康普頓電子,能繼續與介質發生相互作用。散射光子與入射光子的方向間夾角稱為散射角,一般記為θ。反沖電子反沖方向與入射光子的方向間夾角稱為反沖角,一般記為φ。當散射角θ=0°,散射光子的能量為最大值,這時反沖電子的能量為0,光子能量沒有損失;當散射角θ=180°時,入射光子和電子對頭碰撞,沿相反方向散射回來,而反沖電子沿入射光子方向飛出,這種情況稱反散射,此時散射光子的能量最小。
光電子與普通電子一樣,能繼續與介質產生激發、電離等作用。由于電子殼層出現空位,外層電子補空位并發射特征X射線。但該光人眼不可見,頻率最高,波長最短(波在真空中v=c光速,c=λf,λ波長,f頻率)。
電子對效應
能量大于1.02MeV的γ光子從原子核旁經過時,在原子核的庫侖場作用下,γ光子轉變成一個電子和一個正電子。光子的能量一部分轉變成正負電子的靜止能量(1.02MeV),其余就作為它們的動能。被發射出的電子還能繼續與介質產生激發、電離等作用;正電子在損失能量之后,將與物質中的負電子相結合而變成γ射線,即湮沒(annihilation),探測這種湮沒輻射是判明正電子產生的可靠實驗依據。
相干散射
對低能光子(能量遠小于電子靜止能量)來說,內層電子受原子核束縛較緊不能視為自由電子。如果光子和這種束縛電子碰撞,相當于和整個原子相碰,碰撞中光子傳給原子的能量很小,幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長。稱為湯姆遜散射(Thomson scattering)或瑞利散射(Rayleigh scattering)或相干散射(coherent scattering)。由于內層電子的數目隨散射物原子序數的增加而增加,外層電子所占比例降低,所以波長不變的散射光子強度隨之增強,而波長變長的康普頓散射光子強度隨之減弱。
瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度范圍內。即其光子角分布在光子的前進方向有尖銳的峰,偏轉光子的能量損失可以忽略。隨著散射光子散射角φ增大,波長不變的瑞利散射光子相對強度逐漸減弱,而波長變長的康普頓散射光子相對強度逐漸增強,同時波長的改變量也逐漸增大。
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