γ射线与物质的相互作用篇(2)_光电效应

          

γ光子与靶物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这个过程称为光电效应，发射出的电子叫做光电子。

 

                                             

                            

原子吸收了γ光子的全部能量，其中一部分用于克服束缚电子与原子核之间的结合能，另一部分成为光电子的动能。因此，释放出的光电子能量就是入射γ光子能量与束缚电子所处壳层的结合能之差。

 

根据动量、能量守恒关系，入射γ光子的一部分能量必然被反冲核吸收，但这部分能量与入射γ光子能量相比可以忽略不计。而且电子在原子中被束缚的越紧，发生光电效应的概率越大，所以在K壳层打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之。

 

发生光电效应时，从原子的内壳层打出电子，并且在此壳层留下空位，并使原子处于激发状态。这种激发状态不稳定，退激的过程分为两种。一种是外层电子向内层跃迁，填补这个空位，使原子恢复到能量较低的状态。两个壳层结合能之差，就是跃迁时释放的能量，这种能量以特征X射线形式释放出来。另一种过程是原子的激发能不由特征X射线释放，而是交给外壳层的电子，使它发射出来，这种电子称为俄歇电子。

                                               

 

1，  光电子的能量

在光电效应中，由能量守恒定律得到：

Ee =hv - Bi

式中hv为入射γ光子能量，Ee为光电子获得的动能，Bi为原子第i层电子的结合能，与原子序数Z和壳层i有关，为已知的几十KeV能量。一般来说，对于几百到几千KeV的γ射线能量，Bi可以忽略不计，近似认为Ee ≈hv。

2，  光电截面

光电截面的大小与γ射线能量和吸收物质的原子序数有关，近似有如下关系：

σ≈Z5/(hv)n

我们可以看到，原子序数越大，光电截面越大。正是基于这一事实，我们往往采用高原子序数的材料来探测γ射线，以获得较高的探测效率。同样的，也选用高原子序数的材料（例如铅）来屏蔽γ射线。另外，我们还可以发现，光电截面随着γ光子能量增大而减小。可以这样来理解：射线能量低时，相对而言，电子被束缚的越紧，越容易发生光电效应；而γ射线能量逐渐增大时，电子的束缚能相对来说可以忽略不计，这种电子可以被认为是“自由电子”，所以光电截面就小。如下图为不同吸收物质的光电截面与光子能量的关系。

 

                                  

3，  光电子的角分布

相对于γ光子的入射方向而言，在不同的角度光电子的产额是不一样的。由于光电效应需要原子核的参与，因此在0度和180度方向是不存在光电子的，而是在其之间的某个角度，光电子出现的概率最大。简单描述就是：在入射γ光子能量很低时，光电子在垂直于γ光子入射方向上发射；随着γ射线能量增大，逐渐朝前方角发射。下图表示了不同γ射线能量下的光电子发射角分布。

                                           

 

参考文献：

[1]原子核物理实验方法

[2]粒子探测技术及数据获取