2) освобождение электронов, находящихся в веществе под действием коротковолнового электромагнитного излучения
3) процесс, при котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в фотоны или другие частицы
4) рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (+)
Комптоновский эффект представляет собой неупругое рассеяние фотона на электроне, который можно считать свободным или слабосвязанным. Часть энергии и импульса фотона передаётся электрону отдачи, поэтому электрон покидает атом, а фотон продолжает движение в изменённом направлении с меньшей энергией и, соответственно, меньшей частотой и большей длиной волны. Изменение длины волны описывается выражением Δλ = h/(mec) · (1 − cos θ), где θ — угол рассеяния фотона.
Механизм определяется законами сохранения энергии и импульса. Чем больше угол отклонения фотона, тем значительнее его энергетическая потеря; при обратном рассеянии электрон получает максимальную энергию отдачи. Вероятность комптоновского взаимодействия в основном связана с электронной плотностью вещества и в диагностическом диапазоне существенно меньше зависит от атомного номера, чем фотоэффект.
Комптоновское рассеяние имеет важное значение в рентгенодиагностике, компьютерной томографии и лучевой терапии. Рассеянные фотоны формируют радиационный фон, снижают контраст изображения и увеличивают дозовую нагрузку, поэтому применяются коллимация, противорассеивающие растры и экранирование. Отличительный признак процесса — сохранение рассеянного фотона с изменёнными направлением и энергией, а не его полное поглощение или превращение в электрон-позитронную пару.
| Вид взаимодействия | Основной объект взаимодействия | Изменение фотона | Ключевой отличительный признак |
|---|---|---|---|
| Комптоновское рассеяние | Свободный или слабосвязанный электрон | Фотон рассеивается и теряет часть энергии | Образуются рассеянный фотон и электрон отдачи; длина волны увеличивается |
| Фотоэффект | Связанный электрон атома | Фотон полностью поглощается | Энергия передаётся фотоэлектрону; характерна выраженная зависимость вероятности от атомного номера |
| Рэлеевское, или когерентное, рассеяние | Атом в целом | Направление фотона изменяется, энергия практически сохраняется | Ионизация и электрон отдачи отсутствуют; преобладает при низких энергиях |
| Рождение электрон-позитронной пары | Кулоновское поле ядра или электрона | Исходный фотон исчезает | Требуется энергия не менее 1,022 МэВ; образуются электрон и позитрон |
| Аннигиляция | Электрон и позитрон | Частицы превращаются в фотоны | В покое обычно возникают два фотона по 511 кэВ, разлетающиеся примерно в противоположных направлениях |
| Фотоядерное взаимодействие | Атомное ядро | Фотон поглощается ядром | Возможны выбивание нейтронов или протонов и ядерная реакция; характерно для высоких энергий |
В биологических тканях при средних энергиях рентгеновского и гамма-излучения комптоновское взаимодействие часто является ведущим механизмом ослабления. Его вклад определяется прежде всего числом электронов на единицу массы, поэтому различия между мягкими тканями по этому механизму невелики. Для медицинского физика оценка рассеяния необходима при расчёте дозы, моделировании распределения излучения и оптимизации качества диагностических изображений.