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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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