A fotoelektromos abszorpció – vagyis a fotoeffektus

Mikor jön létre fotoelektromos abszorpció?

Amikor a röntgenfoton találkozik egy belső héjon elhelyezkedő elhelyezkedő elektronnal.

Mikor legvalószínűbb, hogy ez a kölcsönhatás létrejön?

A beeső röntgenfoton energiájának nagyobbnak kell lennie, mint a belső héj kötési energiája /K,L héjak/.

Mi történik ilyenkor?

A beeső foton kilöki az elektront az elektronhéjról (nagyobb energiája által), ezáltal a röntgenfoton energiája el is nyelődik /megkapta az energiáját az elektron/.

Mi az eredmény?

Fotoelektron = kilökött elektron. Az atom, mint olyan, ionizálódik az elektronvesztés következtében.

A fotoelektronnak (a belső héjról kilökött elektronnak) kinetikus (azaz mozgási) energiája lesz. Ez a beeső röntgenfoton és a belső-héj elektron kötési energiájának különbségével egyenlő.

Ebből is látható, hogy a beeső röntgenfotonnak nagyobb energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy legyőzze az elektron kötési energiáját.

Az emberi szervezetet felépítő atomok általában kis rendszámúak – így a belső héjak kötési energiája is alacsony.

Mint azt már említettem, a fotoelektron kapja meg kinetikus energia formájában a fotoenergia nagy részét.

Ezzel a mozgási energiával 1-2 mm távot tud megtenni a fotoelektron, aztán elnyelődik. A röntgensugár által okozott biológiai hatásokért ez a folyamat a felelős.

Tehát létrejött az ionizált atom, a belső héj elektron kilökődéssel. Így keletkezik egy lyuk a belső elektronhéjon. Ezt a hiányt a külső héjakról (L,M) tölti majd be egy szabad elektron.

A külső héjról történő beugró elektron által energia szabadul fel egy foton kibocsátásával. Ezt a fotont karakterisztikus fotonnak nevezzük / vagy másodlagos sugárzásnak a folyamatot.

Gyakorlatilag ugyanúgy keletkezik, mint a karakterisztikus sugárzás.

A fotoelektromos kölcsönhatás három szabálya:

1. A belső röntgenfotonnak nagyobb energiájúnak kell lennie, mint a belső héj kötési energiájának.
2. A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége: minél inkább közelíti egymást a beeső röntgenfoton energiája és a belső héj kötési energiája. Magyarul: egy 40 keV-os beeső röntgenfoton nagyobb valószínűséggel lép kölcsönhatásba egy 33,2 keV-os, vagy 37,4 keV-os K-héj elektronnal rendelkező atommal /ezek a jód és a bárium értékei/. Egy 100 keV-os beeső foton kevésbé valószínű, hogy fotoelektromos kölcsönhatásba lépne a 33,2 keV-os, vagy 37,4 keV-os K-héj elektronnal rendelkező atommal, mivel ezek sokkal kevésbé közelítő értékek, mint az imént említett 40 keV.

Összefoglalva: ahogy nő a fotoenergia, annál kevésbe valószínű, hogy fotoelektromos kölcsönhatást tud létrehozni a beeső röntgenfoton. Tehát a fotoenergia és a fotoelektromos kölcsönhatás fordítottan arányos a fotoenergia harmadik hatványával. Tehát a fotoenergia növelésével egyre kisebb a fotoelektromos kölcsönhatás esélye.

3. Nagyobb kötési energia esetén gyakoribb a fotoelektromos kölcsönhatás. Amennyiben egy atom nagyobb rendszámú, úgy az atommaghoz közelebb elhelyezkedő elektronnak nagyobb lesz a kötési energiája /magvonzás/. Nagy rendszámú atomoknál így lehetséges az is, hogy az atommagtól távolabb elhelyezkedő L és M héjakon jön létre a fotoelektromos kölcsönhatás. Kisebb rendszámú atomok esetében, ahol nem olyan közel helyezkednek el az atommaghoz viszonyítva a belső héj elektronok, a K-héjon lévő elektronokkal jön létre a fotoelektromos kölcsönhatás. (Nagy rendszámú atomok esetében gyakran nem is lenne elég a beeső röntgenfoton energiája ahhoz, hogy belső héj elektronnal /K héjról beszélünk/ kölcsönhatásba lépjen. A fotoelektromos kölcsönhatás a rendszám harmadik hatványával egyenesen arányos tehát. A csontok atomjainak rendszáma nagyobb, mint a lágyrészeket alkotó atomoké – csontos struktúrák leképezése!

Attenuáció és fotoenergia által képzett kivétel:

Általában: ha nő a fotoenergia, csökken a fotoelektromos abszorpció valószínűsége. Kivétel: amennyiben a fotoenergia meghaladja kissé a kötési energia értékét, akkor nagyobb a valószínűsége az abszorpciónak, mint kisebb fotoenergia esetében.

Példa: jód (33,2 keV). – 33,2 keV energiájú foton abszorpciója hatszor valószínűbb, mint egy 33,1 keV energiájú fotoné (jód esetén). K szél, abszorpciós szél!