Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом можно разделить на три главных механизма: фотоэффект, эффект Комптона и парообразование. Каждый из них имеет свои особенности и зависит от энергии фотонов. Рассмотрим их подробнее.

1. Фотоэффект

Описание: Фотоэффект происходит, когда рентгеновские фотоны полностью поглощаются атомом вещества, и энергия фотона передается электронам атома. Этот процесс наиболее вероятен при низких энергиях рентгеновских фотонов (менее ~100 кэВ).

Зависимость от энергии: Вероятность фотоэффекта резко возрастает с уменьшением энергии фотонов. Она пропорциональна ( E^{-3} ) (где E — энергия фотона) и зависит от атомного номера Z вещества, как ( Z^4 ). Поэтому для высокозначных элементов, таких как свинец, фотоэффект будет более выражен.

2. Эффект Комптона

Описание: Эффект Комптона происходит, когда рентгеновские фотоны взаимодействуют с «свободными» или слабо связанными электронами. В этом процессе часть энергии фотона передается электрону, что приводит к увеличению энергии и кинетической энергии электрона, а сама длина волны фотона увеличивается (сдвиг Комтона).

Зависимость от энергии: Вероятность эффекта Комптона достигает своего максимума в диапазоне средних энергий (около 100 кэВ до 1 МэВ). С увеличением энергии фотона вероятность эффекта Комптона постепенно увеличивается, однако он начинает доминировать на более высоких энергиях по сравнению с фотоэффектом. Для высоких энергий (выше 1 МэВ) эффект Комптона становится основным.

3. Параобразование

Описание: Параообразование — это процесс, при котором высокоэнергетичные фотоны (обычно выше 1,022 МэВ) могут преобразовываться в электрон-позитронные пары в поле ядра. Пороговая энергия для этого процесса составляет 1,022 МэВ, что соответствует массе покоя электрона и позитрона.

Зависимость от энергии: Вероятность парообразования резко увеличивается для фотонов энергетикой выше 1,022 МэВ. На первых этапах, при росте энергии, вероятность парообразования становится существенно большей, чем у других механизмов взаимодействия.

Заключение

По мере увеличения энергии рентгеновских фотонов механизмы взаимодействия с веществом меняются. Первоначально преобладает фотоэффект, затем при росте энергии начинает доминировать эффект Комптона, а на самых высоких энергиях — парообразование. Эти явления очень важны для понимания характеристик рентгеновского излучения и его применения в медицине, радиологии и материаловедении.