γ射线的基本效应

2016/11/2 14:24:39

当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。
康普顿效应
1923年美国物理学家康普顿(A.H.Compton）发现X光与电子散射时波长会发生移动，称为康普顿效应。
γ光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，γ光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角，一般记为φ。当散射角θ=0°，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180°时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。
光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。但该光人眼不可见，频率最高，波长最短（波在真空中v=c光速，c=λf，λ波长，f频率）。
电子对效应
能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量（1.02MeV），其余就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将与物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没（annihilation），探测这种湮没辐射是判明正电子产生的可靠实验依据。
相干散射
对低能光子（能量远小于电子静止能量）来说，内层电子受原子核束缚较紧不能视为自由电子。如果光子和这种束缚电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长。称为汤姆逊散射(Thomson scattering）或瑞利散射（Rayleigh scattering）或相干散射（coherent scattering）。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加，外层电子所占比例降低，所以波长不变的散射光子强度随之增强，而波长变长的康普顿散射光子强度随之减弱。
瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度范围内。即其光子角分布在光子的前进方向有尖锐的峰，偏转光子的能量损失可以忽略。随着散射光子散射角φ增大，波长不变的瑞利散射光子相对强度逐渐减弱，而波长变长的康普顿散射光子相对强度逐渐增强，同时波长的改变量也逐渐增大。