2) Z5 (+)
3) Z
4) Z2
Фотоэффект представляет собой полное поглощение γ-кванта атомом с выбиванием электрона, преимущественно с K- или L-оболочки. Энергия фотона расходуется на преодоление энергии связи и сообщение кинетической энергии фотоэлектрону; последующая перестройка электронной оболочки сопровождается характеристическим рентгеновским излучением и/или эмиссией оже-электронов. При фиксированной энергии фотона сечение фотоэлектрического поглощения в учебном приближении резко возрастает с увеличением атомного номера и описывается зависимостью порядка Z5, поэтому отмеченный вариант является правильным.
Столь сильная зависимость обусловлена увеличением кулоновского поля ядра и вероятности взаимодействия фотона с электронами внутренних оболочек. Для веществ с большим Z фотоэффект значительно вероятнее, чем для легких элементов, что используется при создании рентгеноконтрастных веществ и в материалах детекторов излучения. Точная степень зависимости не является универсальной: она меняется с энергией фотона, особенно вблизи краёв поглощения, однако в принятой для медицинской физики аппроксимации используется показатель Z5.
Фотоэффект наиболее характерен для сравнительно низких энергий и резко конкурирует с комптоновским рассеянием при их повышении. В отличие от комптоновского взаимодействия, при фотоэффекте исходный фотон исчезает, а его энергия полностью передаётся веществу, что увеличивает локальное энерговыделение и контраст между материалами с различным атомным номером.
| Вид взаимодействия или признак | Зависимость от Z | Основной механизм | Практическое значение |
|---|---|---|---|
| Фотоэлектрическое поглощение | Приблизительно Z4–5; в учебной модели Z5 | Полное поглощение фотона и выбивание электрона внутренней оболочки | Высокий контраст в рентгенодиагностике, выраженное поглощение материалами с большим Z |
| Комптоновское рассеяние | Для отдельного атома примерно пропорционально Z; на единицу массы зависимость слабая | Неупругое рассеяние фотона на связанном или почти свободном электроне | Преобладает в среднем энергетическом диапазоне и формирует рассеянное излучение |
| Рождение электрон-позитронной пары | Приблизительно Z2 | Преобразование фотона в электрон и позитрон в поле ядра или электрона | Возможно при энергии фотона выше 1,022 МэВ; существенно для высокоэнергетической радиотерапии |
| Когерентное, или рэлеевское, рассеяние | Приблизительно Z2 | Упругое изменение направления фотона без ионизации атома | Имеет значение преимущественно при низких энергиях и не сопровождается значимым энерговыделением |
| Край поглощения | Положение K-края увеличивается с ростом Z | Пороговая возможность выбивания электрона с определённой внутренней оболочки | Вызывает скачкообразное изменение коэффициента поглощения и используется при выборе энергии излучения |
| Материал с большим атомным номером | Повышенная вероятность фотоэффекта | Более сильное кулоновское поле и большая вероятность взаимодействия с внутренними электронами | Применение в свинцовой защите, вольфрамовых мишенях и рентгеноконтрастных препаратах |
Таким образом, показатель Z5 отражает высокую чувствительность фотоэлектрического поглощения к атомному номеру вещества. В реальных расчётах дополнительно учитывают энергию фотона, плотность материала и наличие краёв поглощения. Именно поэтому изменение спектра излучения может заметно менять вклад фотоэффекта даже при неизменном составе объекта. Для количественной оценки используют коэффициенты ослабления и сечения взаимодействия, а не только степенную зависимость.