6.4.3 光电效应(物理、能量、截面)在线视频

首先我们来看一下光电效应

什么是光电效应呢

光电指的是γ射线

与物质原子中的束缚电子

发生相互作用

把全部能量转移给

原子中的某个束缚电子

使之发射出去

而光子本身消失的过程

我们把这样的一个作用过程

叫光电效应

所以我们可以看到

光电效应之后

入射的光子是没有了的

带着而产生的那个电子

当然这个电子原本是原子中的一个电子

我们叫它叫光电子

光电效应是光子与原子

整体的一个相互作用过程

它不是光子与自由电子的

一个相互作用过程

如果是光与自由电子

发生相互作用的话

你会发现

满足能量守恒动量守恒的话

这个光子它不能够消失的

因此我们说当入射光子能量

足够高的时候

光电效应其实主要发生在原子中

结合得最紧的k层电子上

也就是能量足够高的时候

k层电子最容易变成光电子

光电现象发生之后

我们说原子内层电子会出现空位

因为电子走了嘛

变成光电子走了

所以那个地方会有空位的出现

所以这个光电效应

它有后续的过程

所谓的后续过程就是原子

它要填补这个内层的空位

所发生的一个过程

在这个过程里呢

原子会发生发射特征X射线

或者俄歇电子

我们用这样的图示来描述一下

光电效应以及它的后续过程

所谓的光电效应

我们说就是入射γ射线和原子

整体相互作用

这个光子消失

然后带着而产生的是一个

原子内层电子发射出来

作为光电子发射出来

这个原子显然是

内层有空位的一个原子

这个原子后续的过程

有可能是外层电子

跃迁到这个空位上

发射特征X射线

也有可能就是一个俄歇的过程

俄歇的过程指的是

这个退激的过程

它不是说发射X射线去退激

而是把这个能量差

直接交给了一个外层的电子

让这个电子发射出来

我们叫俄歇电子

这也是它的一种退激的方式

但是最后这个原子总归还是要继续

把它的这个空位填补住

就是能量状态进一步降低的

所以大家要注意的

就是光电效应之后光子消失

带着而产生的是光电子

然后光电效应它有后续的过程

会发射特征X射线或者俄歇电子

那我们来看一下光电子的能量

我们前面说过

光电效应是光子与原子

整体的一个相互作用

在这个里面我们来看一下

由于能量需要守恒

入射光子的能量就应该等于

光电子的动能加上

原子其他部分的反冲能

再加上一个光电子发射

需要克服的它的结合能

所以这几个部分

这三个能量中间

其实这个原子其它部分

所获得的这个反冲能是非常小的

所以这部分能量我们是可以忽略掉

所以它就约等于

入射光子能量就约等于

光电子的动能加上一个

它的结合能

就原本在原子中的结合能

因此光电子的动能

就可以表示为Ee=hν-εi

εi是它的结合能

所以我们会看到其实

光电子来自于不同壳层的话

它获得的能量

就是动能其实是不一样的

我们再来看一下

发生光电效应的截面

就是概率的大小

我们把入射光子

与物质原子发生光电效应的截面

称为光电截面

光电截面你可以进一步入给它划分

就是说根据这个光电子的来源

来自于k层的

来自于L层的

来自于M层的

你把它划的更细一点

整个的光电截面

应该等于这些光电截面之和

入射光子与内层电子

发生光电效应的概率

刚才说了是比较大的

当然在能量允许的情况下

例如在能量超过了

K层电子的结合能的时候

整个光电效应的截面是光电子来自于

K壳层的光电效应截面的是5/4倍

也就是说主要还是来自于k壳层

来自于其它壳层的部分

是比较少的

我们这个地方是

当然K表示的就是

光电子来自于K壳层

在光子能量比较低的时候

也就是非相对论的情况

我们可以用这个式子去描述

光电子来自于

k壳层的光电效应的截面

这个里面它有一个常量

我们叫它Thompson截面

其实你会看到它是一个常量

看这个式子

其实我们应该注意的是

后面这个部分

也就是光电效应的截面和Z的关系

和作用介质的原子序数

究竟是什么关系

和hν的关系

也就是和入射光子的能量之间

究竟是一个什么样的关系

着重点要放在这个地方

从这可以看出来

它和Z的5次方成正比

和hν的3.5次方成反比

也就是光子能量越高呢

截面是越小的

Z原子序数越大呢

它这个截面是越大的

光子能量比较高的情况下

我们可以用下面这个式子

去表示它的作用截面

从这可以看出来

和原子序数的关系

还是5次方的关系

和入射光子能量的关系就没有

就是随着能量的变化

变化没快了

就变成了能量反比的一个关系了

在入射光子能量小于100keV的时候

我们说在这个作用截面曲线上

会出现一些锯齿状

就说你会看到它有这个突然增加

然后又减少

突然增加又减少的这种情况

这种情况呢

我们说显然是和这个作用介质的

原子中电子的结合能的大小

是直接相关的

当你这个电子的结合能

就是入射光子能量

小于某一个壳层

电子结合能的时候

那个壳层其实对光电效应

是没有贡献的

当你能量增加到

使得这个壳层刚好也能参与到

光电效应的时候

这个截面会有一个突然的增加

然后随着能量的增加

它又会减小

是这样一个情况

我们把重点还是放在

我们这两个框里

也就是光电效应的截面和Z的关系

和hν的关系

我们简单的总结一下

光电效应的截面和作用介质的

原子序数的5次方成正比

它很依赖于作用介质的原子序数

所以我们对于选择探测器来说

一定相当于选择

原子序数比较高的材料

这样的话才能提高

γ射线的探测效率

对于防护或者屏蔽γ射线

我们也要选择高Z的材料

这样的话可以有效地阻挡γ射线

随着光子能量的增加

光电效应的截面整体上来说

是减小的

所以能量越高

光电效应的截面就越小

我们再来看一下光电子的角分布

光电子的角分布

代表进入平均角度为θ方向的

单位立体角里面的光电子的

光电子数的比例

当然这个θ的表示的是

光电子的出射方向相对于

γ光子的入射方向的一个角度

或者我们用一张图去表示它

那这个方向是光子的入射方向

然后这个方向是光电子的出射方向

所以θ角描述的就是这样一个角度

光电子的角分布

我们用光电效应的微分截面

去描述它

它的基本特点是这样的

在零度和180度这个方向

是没有光电子飞出的

所以我们不管是用极坐标去表示

还是直角坐标去表示的话

我们会看到

在0和180度这个地方

光电效应的微分截面都是零

光电子在哪一个角度出现的概率

比较大

与入射光子的能量是有关系的

当入射光子的能量比较低的时候

光电子趋向于从垂直方向发射

当光子能量比较高的时候

光电子趋向于向前发射

所谓的向前发射就是θ角比较小

我们再来看一下

光电效应在γ能谱中的直接的体现

这是一个典型的γ能谱

源是60Co的放射源

我们测到的射线是两条

1173和1332KeV的

两种能量的γ射线

那在这个能谱上

直接的光电效应的体现是哪些呢

第一个我们说很显然全能峰

另外一个就是我们叫特征X射线峰

这个都是光电效应的一个结果

全能峰就是所有能量在探测器里面沉积

所对应的那个脉冲幅度

我们记下来的话就叫全能峰了

全能峰我们说它所形成的

可能在探测器里面

就γ射线在探测器里面的作用

可能是有多次的作用

但是无论如何

最后一次作用总是一个光电效应

特征x射线峰呢

它就不是射线在探测器里面

直接作用形成的

而是γ射线首先在

和周围的介质发生相互作用

而且这个相互作用

应该是一个光电效应

在这个光电效应作用之后呢

它有后续过程

后续过程就是原子退激

发射特征X射线

这个特征X射线

又打入到探测器里面被我记录下来

所以它本身也是由光电效应产生的

但是是光电效应

在探测器之外发生相互作用

所形成的

所以这个地方我们对比的去看一下

全能峰是γ射线进入探测器

只在探测器内发生相互作用

没有能量离开探测器

最后一次作用

是光电效应所形成的

特征X射线峰是

首先在探测器之外

发生了光电效应

光电效应后续过程产生了X射线

进入探测器

与探测器发生相互作用

而且最后也是光电效应

留下来的能量

对应的这个能量呢

是特征X射线的能量

所以要把它分得很清楚

究竟是在哪发生的相互作用

这个作用的过程里面

是留下的能量究竟是谁的能量

这个就是光电效应的一个过程

我们要掌握光电效应

它物理过程是什么

次电子究竟是谁

能量是如何得到的

能量是单能的

还是有几个能量的

还是怎么回事

截面的大小和光子能量

究竟有什么样的关系

和作用介质的原子序数

究竟是什么样的一个关系

这个是我们要着重掌握的

关于光电效应我们就讲到这里