Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

Рентгенівські промені при попаданні на довільне середовище в основному проходять через нього, практично не відбиваються, і при цьому дуже мало заломлюються. В основному рентгенівське випромінювання поглинається і розсіюється середовищем. Проходячи через речовину, кванти рентгенівського випромінювання взаємодіють з електронами атомів і молекул. При цьому можуть спостерігатися такі процеси.

Когерентне розсіювання.

При взаємодії кванта рентгенівського з енергією hv з електроном, який дуже міцно зв’язаний з ядром, квант зміцнює тільки напрям свого руху, а частота vрентгенівського кванта залишаються постійними (рис. 3)

Фотоелектричний процес.

Фотоефект виникає в результаті взаємодії кванта рентгенівського випромінювання з електронами внутрішніх орбіт. При цьому енергія кванта повністю передається електрону, який покидає атом. Або молекулу. Очевидно в цьому випадку hv  А_B (А_B – робота виходу електрона) і якщо hv>A_B досить велика, то кінетична енергія електрона достатня для іонізації нових атомів, утворюючи вторинні електрони. Якщо кінетична енергія недостатня для іонізації атома, то буде відбуватися збудження атомів (молекул), які при переході в нормальний стан випромінюють енергію – спостерігається свічення. Збудженні атоми можуть і не випромінювати кванти енергії, а вступати в хімічні реакції з іншими молекулами чи атомами. Фотоефект характерний для енергії фотонів рентгенівського випромінювання 0,5-1 МеВ.. Послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання, яке зумовлене фотоефектом, називається істинним поглинання рентгенівських променів.

Комптон-ефект.

Це взаємодія фотонів рентгенівського випромінювання різної енергії з електронами, які знаходяться на зовнішній орбітах атома і слабо зв’язані з ядром. При цьому фотон віддає частину своєї енергії електрону, зменшує свою енергію і імпульс, а електрон відповідно збільшує енергію і імпульс. Фотон і електрон змінюють напрям свого руху (рис.4)

Комптон-ефект відбувається при взаємодії квантів рентгенівського випромінювання з електронами, які слабо зв’язані з ядром або вільними електронами. Отже, послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання зв’язане з фотоефектом і Комптон-ефектом.

Експериментальні дані показують, що послаблення інтенсивності рентгенівського випромінювання описується законом Бугера - Ламберта:

(9)

де І – інтенсивність рентгенівських променів, які пройшли через середовище товщиною ; І₀ - інтенсивність рентгенівських променів, які, входять в середовище;  - товщина середовища, яку проходить рентгенівське випромінювання;  - лінійний коефіцієнт послаблення

(10)

Де -- коефіцієнти послаблення викликані некогерентним розсіюванням, фотоефектом і Комптон ефектом. Оскільки дія рентгенівського проміння на речовину і, зокрема, на тканини організму зв’язана з поглинутою частиною випромінювання, то лінійний коефіцієнт зручно представити у вигляді двох коефіцієнтів

(11)

де  - коефіцієнт розсіювання, зумовлений Комптон-ефектом,  -- коефіцієнт істинного поглинання, зумовлений поглинанням при фотоефекті і Комптон-ефекті. Отже, закон Бугера – Ламберта запишемо у вигляді

(12)

Коефіцієнт поглинання  залежить від густини середовища ,довжини хвилі рентгенівського випромінювання  і порядкового атомного номера речовини середовища Z:

(13)

де k – коефіцієнт пропорційності.