Эффект рассеивания

Эффект рассеивания

Когерентное рассеяние характерно для мягкого рентгеновского излучения, у которого энергия квантов меньше, чем энергия ионизации атомов поглощающей среды: h  Aи. Такой квант переводит атом в возбужденное состояние (один из электронов переходит на одну из более удаленных от ядра орбит), но примерно через ∆t= 10-8с атом возвращается в обычное состояние, излучив вторичный рентгеновский квант. При этом h/ = h, но это будет квант нового направления.

Рассеянные кванты h/ ослабляют первичный поток квантов hлишь фактом своего ухода из потока. Но уйдя из основного потока, они могут создать проблемы, например, для обслуживающего персонала: энергия ионизации атомов, из которых состоит этот персонал, может оказаться ниже, чем у атомов в преграде, и рассеянное излучение окажется ионизирующим.

3.2. Фотопоглощение.

Фотопоглощение, или фотоэффект – является главным процессом поглощения квантов с относительно низкой энергией h, но достаточной для ионизации. Фотопоглощение является основным процессом поглощения энергии рентгеновского излучения при энергии квантов до примерно 200 кэВ (0,2 МэВ). Именно фотопоглощение знаменует конец приключений квантов с высокой энергией в ходе их многоступенчатого взаимодействия с веществом.

При фотопоглощении квант с энергией h, превосходящей энергию связи К-электрона в атоме Ек, выбивает его и сообщает ему кинетическую энергию Екин:

h = Ек + Екин

Вакантное место выбитого К-электрона заполняется одним из внешних электронов, что сопровождается высвечиванием одного или нескольких квантов характеристического излучения. В итоге, вместо первичного кванта h мы получаем кванты характеристического излучения и свободный электрон.

3.3. Эффект Комптона.

Эффект Комптона – это явление рассеяния квантов электромагнитного излучения на свободных электронах.

Комптон в 1923 году установил экспериментально, что при рассеянии рентгеновских лучей наблюдается увеличение их длины волны (и, стало быть, уменьшение частоты ). Наблюдавшиеся изменения длины волны излучения при рассеянии на разные углы  объяснить с чисто волновых позиций оказалось невозможным.

Своеобразие ситуации в связи с комптоновским рассеянием состоит в следующем. С одной стороны, речь идет об электромагнитном излучении и следовательно о волновом процессе. С другой стороны, «минимальная порция» этого процесса – квант с энергией h — ведет себя как частица. Правда, частица весьма необычная: он может иметь только скорость с = 3108 м/с (скорость света в вакууме) и никакую другую. Формула Эйнштейна E = mc2 дает основание приписать кванту значение массы . Тогда импульс кванта – произведение массы на скорость – получает следующее выражение

Если признать равноправными партнерами «обычный электрон» с массой me, импульсом P = meV и энергией E = meV2/2, с одной стороны, и квант с импульсом P = h/c и энергией E = h, то задача об их упругом столкновении и о последствиях этого столкновения для их обоих – это задача школьного уровня сложности, на совместное применение законов сохранения энергии и импульса.

Схема взаимодействия «квант – свободный электрон»

Рис.6

Результаты взаимодействия таковы:

1. Энергия вторичного кванта h/ меньше, чем энергия первичного кванта h, на величину кинетической энергии meV2/2, обретенной электроном.

2. Первичный квант h не может полностью передать свою энергию электрону и исчезнуть. Следовательно, при комптоновском рассеянии квант постепенно теряет свою энергию, блуждая в толще вещества от электрона к электрону и меняя направление при каждом очередном взаимодействии. Эти блуждания охватывают большие толщи вещества.

  1. Количество актов рассеяния квантов до того, как он станет низкоэнергетическим, может исчисляться десятками. Траектория блуждающего кванта – это непредсказуемая ломаная линия, каждый угол которой – очередное взаимодействие с электроном. Рано или поздно квант настолько растеряет энергию, что для него наиболее вероятным взаимодействием станет фотопоглощение; на том дело и кончится.

  2. Для мягкого рентгеновского излучения свободными электронами являются электроны внешних оболочек атомов. Но чем больше энергия квантов, тем глубже тот слой электронов, которые он с легкостью делает свободными, затратив на это пустяковую часть своей энергии.

  3. Фактически каждый акт многоступенчатого комптоновского рассеяния – это отрыв «свободного» электрона, т.е. ионизация атома или молекулы, и плюс к тому – сообщение оторванному электрону энергии, достаточной, чтобы он стал ионизирующей частицей. Так что ионизирующий эффект комптоновского рассеяния весьма велик.



Источник: studfile.net


Добавить комментарий