1.6 射线与物质的相互作用

当X射线、γ射线通过物质时，会与物质发生相互作用而减弱强度。导致强度减弱的原因可分为两类，即吸收与散射。

吸收是一种能量转换，光子能量被吸收后变为其他形式的能量；散射会使光子的运动方向改变，其效果等于在束流中移去入射光子。

在X射线、γ射线能量范围内，光子与物质作用的主要形式有光电效应、康普顿效应、电子对效应，低能时还考虑瑞利散射，同时还有一些其他形式的相互作用。

射线通过物质强度衰减遵循指数规律，减弱情况不仅与吸收物质的性质和厚度有关，还取决于辐射的自身性质。

1.6.1 光电效应

1.机理

当光子与物质原子中的束缚电子相互作用时，光子把全部能量转给一个束缚电子，使之脱离轨道发射出去，而光子本身消失，这一过程称为光电效应。光电效应发射出去的电子叫光电子，如图1-5所示。

2.特点

1）光子能量大于电子结合能（这是必要条件，电子脱离原子束缚所需电离能即结合能)；

2）遵守能量守恒定律，光子能量一部分用于使束缚电子脱离轨道，其余作为光电子的动能；

3）自由电子不能吸收光子能量成为光电子（因为不满足动量守恒）；

4）除光子和光电子外，还需有原子核参加才能满足动量守恒，所以只能发生在原子内层轨道上；

5） 电子在原子内束缚得越紧，发生光电效应的概率越大。 τ_n随光子能量提高概率下降，随原子序号Z增大概率提高。

1.6.2 康普顿效应

1.机理

光子与电子发生非弹性碰撞，光子部分能量转给电子，使电子沿着与光子入射方向成φ角飞去，称反冲电子。光子自身能量减小，波长变长，运动方向改变，这个过程称康普顿效应，如图1-6所示。

2.特点

1）总是发生在自由电子或受原子束缚最松的外层电子上；

2）入射光子能量和动量，在反冲电子和散射光子两者之间分配（动量=质点质量×瞬时间速度)；

3）电子反冲角φ在0°~90°之间变化，光子散射角θ在0°~180°之间变化。θ在0°~90°为前散射；θ在90°~180°为背散射。

由动量和能量守恒定律可推导出散射光子和反冲电子的能量和散射角关系如下：

式中 E_e——反冲电子动能；

E′——散射光子能量， E′=hv′；

E——入射光子能量， E=hv；

c——光速；

h——普朗克常数；

m₀——电子静止质量，m₀=9.11×10^-31 kg；

1.6.3 电子对效应

1.机理

当光子从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，光子自身消失，这一过程称电子对效应，如图1-7所示。

2.条件

1） 高能 （X、γ） 射线能量大于电子静止质量所对应的能量两倍时，穿透物质后，光子能量被物质全部吸收，生成一对正、负电子形式， hv=2m₀c² =1.02MeV。

2） 入射光子能量hv＞2m₀c² 即hv＞1.02MeV时，入射光子能量一部分转变为正、负电子对的静止质量 （1.02MeV） 外，其余作为它们动能。

3）电子对效应需原子核参与作用，是为了满足动量守恒。电子对效应产生的快速正电子和电子一样，在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量，很快被慢化，然后与吸收物质中一个电子相互转化为两个能量为0.51MeV的光子，这种现象称为电子对湮没。

1.6.4 瑞利散射

1.机理

瑞利散射入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生的弹性散射过程（也称电子共振散射）。

2.特点

1）束缚电子吸收入射光子能量而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子；

2）束缚电子未脱离原子，反冲体为整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计；

3）是相干散射一种，所谓相干散射，是指散射线与入射线有相同波长，从而能够发生干涉的散射过程；

4）瑞利散射的概率和物质的原子序数及入射光子能量有关，大致与物质原子序数Z的二次方成正比，并随光子能量的增大而急剧减小。当入射光子能量在200keV以下时，瑞利散射的影响不可忽略，如图1-8所示。

1.6.5 射线与物质相互作用发生的相对概率

1.发生概率

1）四种效应发生的概率与入射光子能量及物质原子序数Z有关；

2）对低能射线和原子序数高的物质，光电效应占优势；

3）中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势；

4）高能射线与原子序数较高物质，电子对效应占优势，如图1-9所示。

2.对钢铁来说

1）光子能量10keV，光电效应占优势；

2）光子能量稍过100keV，光电效应和康普顿效应相等；

3）瑞利散射在此能量附近发生概率达到最大（不超过10%）；

4）在1MeV左右康普顿效应占优势；

5）10MeV左右康普顿效应和电子对作用大致相等；

6）高于10MeV以后，电子对效应比率越来越大，如图1-10所示。