Процессы, происходящие при взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первич­ными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электро­нами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hν фотона и энергии ионизации Е_и имеют место три главных процесса взаимодействия рентгеновского излучения с веществом: когерентное (классическое) рассеяние, фотоэффект, некогерентное рассеяние (Комптон эффект).

А) Когерентное рассеяние (рис. 8) происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hν₁ (hc/λ₁) меньше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hν₁< Е_и. В этом случае фотон рентгеновского излучения, встретившись с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию и возбуждает его, в результате электрон переходит на более удаленную орбиту, где не может быть дольше чем 10^-10 секунд, возвращается в основную орбиту и излучает свою избыточную энергию в виде электромагнитного излучения рентгеновского диапазона. Этот фотон электромагнитного излучения будет иметь энергию hν₂ (hc/λ₂), равную поглощенной электроном, но может иметь другое направление, поэтому называется рассеянием. А когерентным называется потому, что hν_{2 =} hν₁ или hc/λ₂ = hc/λ₁ и ν_{2 =} ν₁ или λ₂ = λ₁, частота (или длина волны) первичного и вторичного излучении равны. Таким образом при когерентном рассеянии в веществе изменения не происходят, излучение изменяет только направление распространения.

Б) Фотоэффект (рис. 9) происходит, если энергия падающего рентгеновского фотона hν₁ (hc/λ₁) больше, чем энергия ионизации вещества (работы выхода электрона из вещества) hν₁ ≥ Е_и.

Фотон рентгеновского излучения взаимодействует с валентным электроном вещества, отдает ему свою энергию. Электрон получив достаточную энергию оставляет вещество, т.е. часть полученной энергии затрачивает на совершение работы выхода из вещества, а оставшаяся часть энергии преобразуется в кинетическую энергию свободного электрона hν₁ = Е_и+ mυ²/2. Таким образом в результате фотоэффекта вещество превращается в положительный ион, появляется свободный электрон, а фотон исчезает.

В) Некогерентное рассеяние (Комптон эффект, рис. 10) происходит, если hν₁ >> Е_и. В этом случае часть энергии фотона, сообщенная электрону, идет на совершения работы выхода электроном из вещества Е_и, другая часть на кинетическую энергию mυ²/2 свободного электрона, третья часть излучается в виде вторичного излучения hν₂, которое рассеивается по всевозможным направлениям. Закон сохранения энергии для данного случая взаимодействия можно представить в виде: hν₁= Е_и+ mυ²/2+ hν₂. Отсюда следует, что энергия вторичного фотона hν₂ меньше энергии первичного hν₁, соответственно ν₂<ν₁ или λ₂>λ₁, поэтому данный вид взаимодействия называется некогерентным. В результате такого взаимодействия вещество ионизируется, появляется свободный электрон и присутствует вторичное излучение, которое может взаимодействовать с другими атомами или молекулами вещества.

Перечисленные физические явления взаимодействия рентгеновского ( ионизирующего) излучения с веществом являются первичными процессами. Они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр или же как химически активное вещество вступать в различные реакции, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминес-ценция) и т.п.

На рис. 11 приводится схема возможных процессов, возни­кающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изоб­раженному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения. В итоге произойдут изменения молекулярного состава вещества.

Перечислим некоторые процессы, лежащие в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество.

1) Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рентге­новском облучении, что позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения (рентгеноскопия), иногда для усиления дейст­вия рентгеновских лучей на фотопластинку .

2) Химическое действие рентгеновского излучения, нап­ример образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксиро­вать такие лучи.

3) Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропро­водимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.