Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект, также известный как фотоэлектрическое поглощение, является одной из основных форм взаимодействия рентгеновских и гамма-фотонов с веществом. Фотон взаимодействует с электроном внутренней оболочки атома и выбивает его с оболочки.

Вероятность фотоэлектрического эффекта

Вероятность этого эффекта максимальна, когда:

• энергия падающего фотона равна или незначительно превышает энергию связи электрона на его оболочке (K-край поглощения) и

• электрон прочно связан (как на K-оболочке)

Выбитый электрон затем называется фотоэлектроном, а падающий фотон в этом процессе полностью поглощается. Таким образом, фотоэлектрический эффект вносит вклад в ослабление рентгеновского пучка при его прохождении через вещество. 

Для стабилизации атома электрон внешней оболочки заполняет вакансию на внутренней оболочке. Энергия, теряемая этим электроном при переходе на внутреннюю оболочку, испускается в виде характеристического излучения (рентгеновского фотона) или в виде электрона Оже. 

Вероятность возникновения фотоэлектрического поглощения:

1. пропорциональна кубу атомного номера ослабляющей среды (Z), и

2. обратно пропорциональна кубу энергии падающего фотона (E), и

3. пропорциональна физической плотности ослабляющей среды (p)

Вероятность фотоэлектрического эффекта быстро стремится к нулю по мере увеличения энергии падающего пучка фотонов. И наоборот, вероятность взаимодействия значительно возрастает с увеличением атомного номера (Z) атомов в ткани. Это обеспечивает высокую степень контраста между тканями различной плотности, такими как костная ткань и мягкие ткани.
Общую вероятность фотоэлектрического поглощения можно выразить следующим соотношением:

Фотоэлектрическое поглощение ~ p·(Z³/E³)

Следовательно, если атомный номер (Z) ослабляющей среды удваивается, фотоэлектрическое поглощение увеличивается в 8 раз (2=8). И наоборот, если энергия (E) удваивается, вероятность поглощения уменьшается в 8 раз. Таким образом, даже незначительные изменения Z или E могут существенно влиять на фотоэлектрическое поглощение.

Применение

При низких энергиях фотонов в свинце доминирует фотоэлектрический эффект. Это явление сохраняется до 0.511 MeV, когда эффект Комптона начинает преобладать над фотоэлектрическим эффектом в ослаблении излучения. Это имеет практическое значение в области радиационной защиты и является причиной, по которой материалы с высоким Z, такие как свинец (Z = 82), являются эффективными защитными материалами.

Фотоэлектрическое поглощение также используется в маммографии и при применении контрастных веществ для улучшения контрастности изображения. Зависимость фотоэлектрического поглощения от Z и E означает, что оно вносит основной вклад в ослабление пучка при энергиях примерно до 30 keV при облучении тканей человека (Z = 7.4). При более высоких энергиях пучка преобладает эффект Комптона.

История и этимология

Одним из первых, кто провел систематические исследования фотоэлектрического эффекта, продолжив и расширив исследования Herz (триггерная гипотеза Lenard), был Philipp Eduard Anton von Lenard, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1905 году: свет лишь запускает высвобождение отдельных электронов, не передавая им энергию (1902).

Albert Einstein получил Нобелевскую премию в 1921 году за правильное объяснение этого явления, хотя фактически забрал ее — из-за ряда разногласий — лишь годом позже, в 1922 году. Таким образом, квантование энергии присуще самой внутренней структуре света, который распространяется в виде порций энергии, ведущих себя подобно частицам и названных впоследствии фотонами.

См. также

• эффект Комптона

• когерентное рассеяние

• образование пар