光子与物质的相互作用探究

电磁辐射理论指出，光子与物质的相互作用，可通过与原子的电子、核子、围绕带电粒子的电场及介子（的相互作用来）实现。按照相互作用的结果，即光子的能量被全部吸收、光子的部分能量被吸收及光子的能量没有发生改变，与上述的四种作用对象相组合，共可能得到12种相互作用（见表2.2-2），但它们发生的概率并不相同。对于X射线和γ射线与物质的相互作用，主要的相互作用是：光电效应、康普顿散射、电子对产生和瑞利散射。

表2.2-2 光子与物质相互作用的分类

注：表中τ、σ、κ为相应作用的吸收或散射系数，Z为原子序数；hν为光子能量。

①指主要相互作用。

②指次要相互作用。

1.光电效应

入射光子与原子的轨道电子相互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，获得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子，这种作用过程称为光电效应。释放的自由电子称为光电子。图2.2-5是光电效应的示意图，图2.2-6是光电效应中产生的光电子分布图。

光电效应主要发生在入射光子与原子内层轨道电子的相互作用过程中，低能光子与高原子序数物质发生相互作用时，光电效应具有重要意义。

图2.2-5 光电效应示意图

图2.2-6 光电效应光电子分布图

发生光电效应的截面称为光电截面，它表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的概率。光电截面与靶物质的原子序数Z和入射光子的能量hν有关，与物质的化学和物理状态无关。对于K层，其关系如下：

入射光子与L、M层上的电子也可以发生光电效应，但发生概率远小于K层，总的光电效应主要决定于K层，其关系近似为

在光电效应过程中将伴随荧光辐射，辐射特征谱X射线。

在光电效应过程中可发生的另一过程是俄歇效应。在俄歇效应中，激发能量给予轨道电子，该轨道电子被放出。放出的电子称为俄歇电子。俄歇效应过程如图2.2-7所示。

图2.2-7 俄歇效应示意图

2.康普顿效应

康普顿效应是入射光子与原子外层轨道电子或自由电子发生的碰撞过程，如图2.2-8所示。在康普顿散射过程中，入射光子的一部分能量传递给电子，使电子从原子的电子轨道飞出，这种电子称为反冲电子。同时，入射光子的能量减少，成为散射光子，并偏离了入射光子的传播方向。反冲电子和散射光子的方向都相关于入射光子的能量，散射光子的角分布与入射光子能量的关系如图2.2-9所示。

图2.2-8 康普顿效应示意图

图2.2-9 康普顿散射中散射光子的角分布

从能量守恒和动量守恒定律可以得到散射光子的能量为

反冲电子的动能为

散射角θ和电子反冲角ϕ之间的关系为(www.xing528.com)

散射光子波长的增加量为

常记

式中 λ——入射光子波长（m）；

λ′——散射光子波长（m）；

h——普朗克常数，值为6.626×10^-34J·s；

m₀——电子的静止质量，值近似为9.11×10^-31kg；

c——光在真空的传播速度，值近似为3.00×10⁸m/s。

并称λ₀为（电子的）康普顿波长。现在已把康普顿波长概念推广到其他的基本粒子，作为粒子波动性的一种量度，这时式中的m₀应为该粒子的静止质量。显然，粒子的质量越大，其康普顿波长越短，其波动性就越不显著。

康普顿效应发生的可能性与入射光子的能量和物质的原子序数相关，原子序数低的元素康普顿效应发生的可能性很高；对中等能量的光子，康普顿效应对各种元素都是主要的作用。

康普顿效应的散射截面σ_C应是原子各个电子的康普顿散射截面之和，其关系为：

当hν＜＜m₀c²时，

当hν＞m₀c²时，

3.电子对效应

高能量的光子与物质的原子核或电子发生相互作用时，光子可以转化为一对正、负电子（见图2.2-10），这就是电子对效应。在电子对效应中，入射光子消失，产生的正、负电子对在不同方向飞出。由于动量守恒定律的要求，产生的正、负电子几乎都是沿着入射光子的方向向前发射，其方向与入射光子的能量相关。入射光子的能量越大，正、负电子发射的方向越倾向于入射光子方向。对于一定能量的入射光子，产生的正、负电子的动能之和为常数，等于

hν-2m₀c²

正、负电子动能的分配是任意的，都可以为从0到（hν-2m₀c²）。

图2.2-10 电子对效应示意图

电子对效应只能发生在入射光子的能量不小于1.02MeV时，入射光子与原子的电子发生作用也可以产生电子对效应，但其发生的可能性远小于入射光子与原子核相互作用过程，并且入射光子的能量应不小于2.04MeV。

电子对效应在光子能量较高、物质的原子序数较高时是一种重要的作用。入射光子在原子核库仑场中发生电子对效应的截面σ_P，与作用物质的原子序数相关，也与入射光子的能量相关：

当hν＞2m₀c²时，σ_P∝Z²hν

当hν＞＞2m₀c²时，σ_P∝Z²ln（hν）

即，电子对效应总是正比于物质原子序数的平方，在低能时作用截面随入射光子的能量线性增加，在高能时作用截面随入射光子的能量缓慢增加，在极高能量时接近常数。

4.瑞利散射

瑞利散射是光子与被原子紧密束缚的电子的相互作用过程产生的散射。光子被电子吸收，电子进入高能态，随着电子回到初始态，发射出与入射光子相同能量的次级光子，这是一个弹性过程。实际上，这个过程可看作光子与原子整体的相互作用过程。图2.2-11是瑞利散射的示意图。

图2.2-11 瑞利散射示意图

瑞利散射发生的可能性与物质的原子序数和入射光子的能量相关，约与原子序数的平方成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。