Эффект Комптона

Эффект Комптона (комптоновский эффект) или комптоновское рассеяние является одной из основных форм взаимодействия фотонов. Это главная причина возникновения рассеянного излучения в веществе. Он происходит вследствие взаимодействия фотона (рентгеновского или гамма-излучения) со свободными электронами (не связанными с атомами) или слабосвязанными электронами валентной оболочки (внешней оболочки). В результате падающий фотон рассеивается (изменяет направление) и передает энергию электрону (электрон отдачи). Рассеянный фотон будет иметь другую длину волны (наблюдаемое явление) и, следовательно, другую энергию (E=hc/λ). В этом процессе сохраняются энергия и импульс.

Энергия рассеянного фотона

Эффект Комптона представляет собой процесс частичного поглощения, при котором исходный фотон теряет энергию, что известно как комптоновский сдвиг (т. е. сдвиг длины волны/частоты). Изменение длины волны рассеянного фотона можно определить по формуле 0,024 (1 - cos θ), где θ — угол рассеяния фотона. Таким образом, энергия рассеянного фотона уменьшается с увеличением угла рассеяния фотона. Более высокая энергия падающего фотона приводит к большей процентной потере его энергии при комптоновском рассеянии, тогда как фотоны с меньшей энергией теряют меньший процент своей энергии.

Вероятность эффекта Комптона

• прямо пропорциональна

  • электронной плотности, которая обычно пропорциональна физической плотности материала

• очень слабо зависит от

  • энергии фотона; относительно постоянна в диапазоне 10–600 keV

• не зависит от

  • атомный номер (Z), в отличие от фотоэлектрического эффекта и образования пар

Вероятность комптоновского эффекта зависит от электронной плотности поглотителя. Для большинства элементов и тканей электронная плотность (число электронов на единицу объема) прямо пропорциональна физической плотности (масса на единицу объема) материала. Поэтому вероятность комптоновского рассеяния практически не зависит от атомного номера поглотителя. Единственным исключением являются материалы с высоким содержанием водорода, для которых вероятность комптоновского рассеяния при заданной плотности выше. Это связано с тем, что водород содержит в два раза больше электронов на единицу массы.

Комптоновский эффект является доминирующим процессом в диапазоне энергий от 26 keV до 30 MeV, который охватывает большую часть диагностического диапазона излучения.

История и этимология

Назван в честь профессора Arthur Holly Compton (1892-1962), американского физика, удостоенного Нобелевской премии по физике в 1927 году за открытие эффекта Комптона. Результаты, полученные A. H. Compton, впоследствии были подтверждены Charles Thomson Rees Wilson с использованием камеры Вильсона (изобретенной им в 1911 году).

См. также

• фотоэлектрический эффект

• когерентное рассеяние

• рождение пар