印象放射--光電效應

幾個物理量

介紹相互作用之前,得先介紹幾個跟X光子有關的物理量,就像做一件事情之前,得先準備好工具,“工欲善其事,必先利其器”,磨刀不誤砍柴工,把準備工作做好了,接下來的會更加順暢。

對於一種射線,我們得知道他到底有多強,於是就有了強度這個概念,強度是一個很有用的物理量,因為後續的射線衰減會涉及到他,射線穿過物質之前的強度是多少,穿過物質之後變成了多少,在這個過程中損失了多少,也就是衰減了多少。

除了強度,還有粒子注量、能量注量以及注量率等,具體的定義、公式參考專業教材。從根本上來說,這些物理量,是為了描述粒子比如X光子的數量以及所攜帶的能量。就好比X光子去做客了,不是一個光子去的,因此我們得需要知道X光子的數量是多少,單位截面上來了多少個光子,這樣好準備客廳的大小、桌椅板凳以及飯菜數量。既然是來做客,就不能空著手來啊,X光子自然也帶了禮物,這個禮物就是能量。客人都來了,主人也把會場準備好了,接下來又發生了一些故事。

相互作用過程

之前提到,X光是怎麼來的呢,是由一個個電子通過高壓電場加速,然後轟擊陽極靶(鎢靶)產生的,產生X射線的裝置叫做X射線管。X光產生之後,我們就要應用他,在應用他之前,就得先掌握他與物質相互作用的幾個過程。

先說說X射線的能量,因為能量不同,所發生的相互作用類型也就不同。X射線是由高速運動的電子轟擊靶面產生的,X射線的能量實際上取決於電子的能量,也就是電子的動能,電子的動能呢,又跟施加在陰極與陽極之間的高壓有關,比如所說的80KV(千伏)的X線,對應的電子動能就是80KeV(千電子伏),而電壓也就是80KV(也就是管電壓)。這個說法適用於診斷用的X射線管,不適用於放療中的MV(兆伏)級X射線。因為MV級的射線,也就是幾千千伏,就不能直接靠電場來給電子加速了,否則如此高的電壓會擊穿電纜,不是一般的危險。

X射線的能量越高,他的穿透力就越強,100KV的X射線比80KV的穿透力要大,就像一顆子彈,速度越快,動能越大,自然能穿透更厚的物體。

說完了X射線的能量以及能量跟穿透力之間的關係,就要正式介紹X射線與物質相互作用的幾個過程了。

第一站:光電效應

一個個X光子帶著一個個裝著KV級能量的禮物來做客了,主人也就是原子要準備招待客人了,原子的結構再介紹一遍:原子由原子核和核外電子組成,核外電子分佈在原子核外不同的軌道上,具有不同的能量。原子打算讓核外電子來招待X光子,看著X光子閃閃發光、自由自在的樣子,核外電子很是羨慕,就跟X光子訴苦說自己整天被束縛在軌道上,不知道外面的世界長啥樣,如果有天能出去看看外面的世界就好了,X光子被打動了,看著電子如此有志向,而且自己又在外面飄蕩累了,浪蕩世界的遊子,很理解另一個遊子對世界的渴望,於是,一件神奇的事情發生了。

X光子把自己所攜帶的所有能量都傳給了電子,就像武俠電視劇裡演的,師傅把武功和內力都傳輸給了徒弟,這讓主人~原子大跌眼鏡,感嘆到原來這樣也可以啊。獲得能量的電子掙脫了原子的束縛,成為了自由電子,終於獲得了朝思暮想的自由,這下可以去看看外面的世界了,正當他要感激那個X光子時,卻發現X光子不見了,因為X光子把所有的能量傳給電子之後,X光子就消失了,完成了他的使命。為了紀念那個X光子,自由電子取名為光電子。對那個X光子來說,也沒什麼後悔的,因為自己本身就是由電子產生的,正能量就這樣傳遞著。整個故事,就是光電效應的過程。介紹的不夠專業,專業版本請參考專業教材,或者百度或知乎搜一搜。光電效應這個現象由愛因斯坦發現,並因此獲得諾貝爾物理學獎,光電效應的厲害之處,在於證明了原來光不僅有波的性質,還有粒子的性質,也就是波粒二象性。

第二站:康普頓散射

獲得了自由的光電子幹什麼去了、去了哪裡,就姑且不用管他了,因為接下來又發生了一些故事。聽說之前的電子獲得了自由,這讓被束縛住在軌道上的其他核外電子很是羨慕,畢竟自由總是很讓人嚮往啊,“若為自由故,二者皆可拋”。

過了沒幾天,又有一個個X光子來做客,有了上次的教訓,原子本不想接待他們,畢竟上次受到了傷害,失去了一部分電子,損兵折將,但又礙於面子,最重要的是核外電子熱情很高。這次來拜訪的X光子帶的禮物更多,禮不嫌多啊,這次禮物裡裝的全是MV級的能量,是上次KV級的1000倍!故事是相似的,還是之前一樣的情節,還是幾乎一模一樣的套路,電子又訴苦,X光子又被感動,然後把攜帶的能量傳給了電子,電子獲得了自由,只不過這次跟上次不太一樣的是:X光子沒有消失,而是成了散射線,散射線的能量跟之前比明顯變弱,也可以說元氣大傷,獲得了自由的電子感激了變成散射線的X光子,然後就分道揚鑣、各奔東西了。這次的故事沒有那麼感傷了,整個過程稱為康普頓效應,也稱為康普頓散射,因為故事的最後,產生了散射線。


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