光子と物質の相互作用

(R3.18, R2.16)

相互作用反応相手光子のエネルギー二次電子
トムソン散乱自由電子不変なし
レイリー散乱軌道電子不変なし
光電効果軌道電子消滅光電子
コンプトン散乱自由電子,最外殻電子散乱反跳電子
電子対生成原子核消滅原子,陽電子
三電子生成軌道電子消滅原子,陽電子
光核反応原子核消滅なし


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弾性散乱

・光子の波動性を示す反応
トムソン散乱
 自由電子との相互作用
 光子のエネルギーは変化せず,進行方向が変化する

レイリー散乱(干渉性散乱)
 軌道電子との相互作用  
 光子のエネルギーは変化せず,進行方向が変化する

光電効果

 (R3.19.20)

・光子のエネルギーEe
 Ee=Er‐Eb
 Er:光子のエネルギー 
 Eb:軌道電子のエネルギー

・光電子エネルギー
 K殻光電子<L殻光電子

・吸収端 (R1.4)
 光子のエネルギーが各殻の軌道電子放出に必要なエネルギーを上回り,減弱係数が急激に大きくなる場所
 エネルギー:L吸収端 < K吸収端

 K吸収端のエネルギー
:13.6×(Z-1)2[eV]

・反応断面積τZ5×Er-3.5
 Z:ターゲットの原子番号

・光子の粒子性を示す反応
・光電ピーク(全エネルギーピーク)
 放出されたγ線がすべてのエネルギーを電子に与えて検出器に検出されるピーク

・入射光子のエネルギーがK殻電子電離エネルギーよりも大きい場合,光電子の80%がK殻光電子となる

コンプトン散乱(非弾性散乱)

 (R3.21.32, R1.17.18.20,)

・散乱光子のエネルギーEr′

・コンプトン電子のエネルギーEe

・Ee maxのとき,Er′min 
(180度散乱:コンプトン端)

・Ee minのとき,Er′max 
(0度散乱,反跳電子は90度散乱)
Er′max = Er
Ee min = 0

*θ:0~180度に散乱する  
*Φ:0~90度に散乱する 
*meC2:電子の静止エネルギー

・反応断面積σZ  
*面密度[g/cm2]が同じであれば物質によらない

・光子の粒子性を示す反応

・コンプトン連続部
 コンプトン散乱で生じた反跳電子がとる0から最大エネルギーEmaxまでの連続分布

・コンプトン端
 散乱角が180度の場合に電子に最もエネルギーを与えて,光子が検出器から出ていく場所
 コンプトン連続部の終わり

・後方散乱ピーク
 検出器以外で後方散乱した散乱光子(最小エネルギーとなっている)が検出されて生じるピーク

電子対生成

 (R2.21,R1.19)
・光子(Er=hν)がクーロン場で消滅し,電子-陽電子対が生成される現象
 入射光子のエネルギーEr
 Er = 2meC2 + Krec +Kp + Ke
 Krec:反跳粒子の運動エネルギー
 (原子核の場合は≒0)
 Kp + Ke:電子対の運動エネルギー

→電子対の運動エネルギーKp + Ke
 Kp + Ke=Er – (2meC2+ Krec)
:KpとKeには連続的に分配される

・閾値:1.022[MeV] 
・反応断面積κZ2

三電子対生成  

・電子のクーロン場電子対生成が起こる現象
電子×2+陽電子にエネルギーが連続的に分配される

閾値2.044[MeV] 
(Krec=hν/2となるため)

光核反応

 高エネルギーγ線が原子核に当たると,ある確率で吸収され,原子核を励起し,そのエネルギーが原子核内の  核子の結合エネルギーを超えると,核子は核外へ飛び出す
・光子の粒子性を示す反応

・反応断面積
:γ線のエネルギーが15~20MeVで最大

・(γ,p),(γ,n),(γ,d),(γ,α),(γ,fission)などの反応が起こる
(γ,n)は10~20MeVで起こりやすい

・閾値は存在し(だいたい結合エネルギーである8~10MeV程度),Q値は負

(回析) 

・ブラッグの反射条件を満たした場合に,Xは回析する
→結晶の構造解析に利用

・光子の波動性を示す反応

光子エネルギーの伝達

 (R3.32, R2.18)
・質量減弱係数μ/ρ
 μ/ρ = (τ+σ+κ)×N÷ρ
 N:1cm3中の原子数 
 ρ:物質の密度

・質量エネルギー転移係数μtr

δ:特性X線の平均エネルギー

・質量エネルギー吸収係数μen/ρ 
μen/ρ= μtr/ρ×(1‐G)
G:制動放射により失われる二次電子のエネルギーの割合

光子の減弱

 (R2.20,R1.30(化学))
・光子の強度I
 I = I0×e-μx×B 
 I0:初期X線光子量  
 μ:線減弱係数(cm-1)
 x:物質の厚さ(cm)
 
B:ビルドアップ係数
B=(全光子数)÷(直接光子数)
1+(散乱光子数)÷(直接光子数)

半価層

  (R3.32, R2.22)
・半価層X1/2 
 X1/2 = ln2/μ 
    = 0.693/μ
・1/10価層X1/10 
 X1/10 = ln10/μ
    = 2.3/μ

・(第一)半価層H1
:線量が初めの半分となる吸収板の厚さ

・第二半価層H2
:さらに線量を半分とする厚さ

・均等度 = H1/H2
・不均等度 = H2/H1
*特性X線ではH1=H2となり,連続X線では均等度<1,不均等度>1

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