光子と物質の相互作用

(R4.16, R3.18, R2.16)

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τ∝Z⁵×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)

(R4.18.19, 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σ∝Z　　
*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κ∝Z²

三電子対生成　　

・電子のクーロン場で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

(R4.17, 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μ_tr/ρ

δ：特性X線の平均エネルギー
＊各項はそれぞれ「光電効果」「コンプトン散乱」「電子対生成」で損失するエネルギーを表す

・質量エネルギー吸収係数μ_en/ρ　
μ_en/ρ＝　μ_tr/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X_1/2　
　X_1/2＝　ln2/μ　
　　　　＝　0.693/μ

・1/10価層X_1/10　
　X_1/10＝　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