2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект)

Проходя через вещество, фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества. При этом имеют место три главных процесса:

Когерентное рассеяние

Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит, в основном, без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия кванта меньше энергии ионизации, т.е. E = h < A_u (A_u – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы). Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения учитывается возможность изменения направления первичного пучка.

Эффект Комптона (некогерентное рассеяние)

Эффект Комптона возникает в результате рассеяния жестких рентгеновских лучей, при этом у рассеянных лучей длина волны больше, чем у падающих (1922г, Комптон). Эффект возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации:

h > A_u. (4)

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона hрасходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией h, на отрыв электрона от атома (A_u) и сообщение электрону кинетической энергии E_k:

h = h + A_u + E_k. (5)

Так как во многих случаях h >> A_u или эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно приближенно записать:

h = h + E_k. (6)

Рис.4. Некогерентное рассеяние

В этом явлении наряду со вторичным рентгеновским излучением (h) появляются электроны отдачи (E_k). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект

Фотоэффект рентгеновских лучей впервые был изучен А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравовым. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, при этом атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Три основных процесса взаимодействия, рассмотренных выше являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п. Рентгеновское излучение приводит к образованию перекиси водорода в воде, действует на фотопластинку. Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводности электролитов под влиянием рентгеновского излучения (используется в дозиметрии).

3. Закон ослабления потока рентгеновского излучения