Interacțiunea dintre fotonilor cu materia
Interacțiunea dintre fotonilor cu materia
caracteristica de absorbție
La γ-radiații includ undele electromagnetice a căror lungime de undă este mult mai mică decât distanțele interatomice, adică λ <а где а
10 -8 cm. Astfel, limita inferioară a energiei γ-cuantele obținut E = hν = hc / λ = 12 keV.
In mod similar încărcat de particule, fotoni absorbiți de fluxul de substanță în principal datorită interacțiunii electromagnetice. Totuși, acest mecanism de absorbție este în mod esențial diferit. Acest lucru este din două motive:
- fotonii nu au nici o sarcină electrică și, prin urmare, nu sunt afectate de forțele Coulomb cu rază lungă. Prin urmare, atunci când fotonii care trec prin materie este relativ rară electroni și nuclee se confruntă, dar atunci când se confruntă, de regulă, se abate brusc de la calea lor, și anume, practic eliminate din grinda;
- fotonii au masa nulă și, prin urmare, nu poate avea o viteză diferită de viteza luminii. Acest lucru înseamnă că ele nu pot încetini în mediu. Acestea sunt fie absorbite sau dispersate, în principal, prin unghiuri mari.
Figura 18. Ilustrarea prepararea curbei de absorbție
La trecerea unui fascicul de fotoni prin material ca rezultat al coliziunii reduce treptat intensitatea acestui fascicul.
Noi găsim legea, potrivit căreia există o slăbire, și anume curba de absorbție foton în material.
Să presupunem că pe o suprafață țintă plană perpendiculară pe fluxul de fotoni scade J0 c -1 cm -2. și lăsați grosime țintă x (cm) este atât de mică încât nu există decât o singură interacțiune (ric.18). Modificarea intensității acestui curent prin care trece fotoni dJ strat de substanță dx proporțională a debitului J la o adâncime a acestui strat, stratul de grosime dx, n densitatea atomilor. și eficientă interacțiune foton secțiune transversală sigma
Soluția acestei ecuații dă curba de absorbție
De obicei, absorbția de fotoni într-o substanță legată de două concepte.
- Liniar coeficientul de absorbție τ = n σ; [Τ] = cm-1 și J = exp J0 (- τx).
Astfel τ -1 - Această substanță o astfel de grosime în centimetri la care fluxul fotonic este atenuat în timp e. - Coeficientul de absorbție a masei μ = τ / ρ = σ n / ρ, unde ρ (g / cm3) - densitatea substanței;
[Μ] = cm2 / g; J = J0 exp (- μxρ). și xρ (g / cm2) - grosimea substanței măsurate în unități de masă. Aceeași semnificație: -1 receptorii p - această grosime astfel de substanță în g / cm2, la care debitul este redus în timp e
Coeficientul de absorbție al γ caracterizează complet trecerea prin materie. Aceasta depinde de proprietățile mediului, și energia fotonica. În cazul în care preluarea se datorează unui număr de procese diferite, fiecare dintre care corespunde coeficientului de absorbție τi μi. coeficientul de absorbție totală
material absorbant Photon are loc în principal în considerare ea trei procese: I) efectul fotoelectric; 2) efectul Compton, și 3) electroni pozitroni producția pereche în câmpul Coulomb al nucleului.
efect fotoelectric
efectul fotoelectric este un proces în care un atom absoarbe un foton si emite electroni. In acest proces, un foton interactioneaza cu un electron legat într-un atom și transferă energia. Electron devine energie kineticheokuyu Cei și se lasă atomul, iar atomul este într-o stare excitată. Prin urmare, efectul fotoelectric este întotdeauna însoțit de un atom de raze X caracteristice sau emisia de electroni Auger. Atunci când efectul Auger este transferat direct la un atom de energia de excitare la unul dintre electronii, care, ca urmare a părăsi atom.
Legile de conservare a energiei și a impulsului în efectul fotoelectric poate fi reprezentat ca:
în cazul în care. - energia cinetică a nucleului recul; Ji - energia de ionizare a cochiliei i-lea al unui atom; . Deoarece, de obicei, h ν >> Ji + T I. energia fotoelectronilor Te ≈ hν, și, prin urmare, spectrul energetic al fotoelectronilor este aproape de monocromatic.
Din legile de conservare a energiei și a impulsului că efectul fotoelectric nu poate avea loc printr-un electron liber. O vom dovedi, „dimpotrivă“: Să presupunem că un astfel de proces este posibil. Apoi, legile de conservare vor arăta astfel:
Prin urmare, obținem ecuația 1 - p = √ 1 - β 2. care are două rădăcini β = 0 și β = 1. Prima dintre ele corespunde Te = hν = 0, iar celălalt nu are nici o semnificație fizică pentru particule cu o masă diferită de zero.
Chiar și mai clar este dovada caută caz non-relativiste: hν = 2/2 mine v și hν / c = mi v. Soluția sistemului duce la v = expresie 2c, care nu poate fi.
Astfel, electronul liber nu poate absorbi fotonii. Pentru efectul fotoelectric este cuplarea semnificativă a electronului cu atomul de care parte este transferat la un puls de fotoni. Efectul fotoelectric este posibilă numai pe un electron legat. Mai mică energia unui electron și un atom în comparație cu energia fotonilor, mai puțin probabil efectul fotoelectric. Acest fapt determină toate proprietățile de bază ale efectului fotoelectric:
a) secțiunea transversală cu o energie foton - σf (hν). b) raportul dintre efectul fotoelectric asupra probabilității diferitelor coji de electroni, c) dependența secțiunii transversale pe mediu Z.
Fig. 19. Dependența secțiunii transversale efective a efectului fotoelectric asupra energiei fotonilor
a) In Fig. 19 prezintă dependența secțiunii transversale efective a efectului fotoelectric asupra energiei fotonice. Dacă energia fotonilor este mare în comparație cu energia de legare în atom, atunci secțiunea transversală a efectului fotoelectric σf scade rapid odată cu creșterea energiei fotonice de electroni. la (Hν) -1. b) Formulele pentru secțiunea transversală a efectului fotoelectric în K electronii, obținuți prin metodele electrodinamicii cuantice și confirmate prin experiment, sunt de forma: secțiuni de relații ale efectului fotoelectric pe membrane diferite, se obțin după cum urmează: Prin urmare, în calculul secțiunii totale a efectului fotoelectric este raportul utilizat în mod obișnuit: c) Din aceeași formulă este vizibil σf dependență puternică medie Z: σf Z. Acest lucru este de înțeles, deoarece în elementele de lumină sunt conectate electroni forțe Coulomb de bază mai slab, decât severă. Substanțele grele Efectul fotoelectric este cauza principală a absorbției fotonilor moi. cos φ 2 în raport cu direcția vectorului electric al undei electromagnetice incidente. Mai mult, distribuția unghiulară a fotoelectronilor depinde substanțial de energie. În cazul în care nu-relativistă, cele < Figura 20. Distribuția unghiulară a fotoelectronilor:
J i <
Ca descendent hν, adică în creștere de electroni conectivitate J k / hν, vedere în secțiune a creșterilor de proces rapid, atâta timp cât energia fotonilor devine egală cu J energie k. atunci când hν
hν
Distribuția unghiulară a fotoelectronilor se obține prin calcul din formula pentru secțiunea transversală diferențială. Din aceasta rezultă că fotoelectronii sunt distribuite simetric conform legii
și - hv