1.4.3 Jenis-jenis Interaksi Foton

Foton dapat mengalami berbagai kemungkinan interaksi dengan atom dari suatu

attenuator, probabilitas atau penampang untuk setiap interaksi tergantung pada energi hv

foton dan nomor atom Z dari attenuator.

Interaksi foton dengan sebuah elektron yang terikat kuat (yaitu dengan

atom secara keseluruhan (efek fotolistrik, hamburan koheren)), dengan bidang

dari inti (produksi pasangan) atau dengan electron bebas (efek Compton,

produksi triplet).

Dalam konteks interaksi foton, elektron terikat kuat adalah elektron orbital

dengan energi ikat urutan, atau sedikit lebih besar dari, energi foton, sedangkan

elektron bebas adalah elektron dengan energi ikat yang jauh lebih kecil daripada

energi foton.

Selama interaksi, foton mungkin benar-benar hilang (efek fotolistrik, produksi

pasangan, produksi triplet) atau dapat tersebar secara koheren (hamburan

koheren) maupun tidak koheren (efek Compton).

1.4.4 Efek fotolistrik

Dalam efek fotolistrik (kadang-kadang disebut sebagai photoeffect) foton

berinteraksi dengan elektron orbital terikat kuat dari attenuator dan akan menghilang,

sedangkan elektron orbital dikeluarkan dari atom sebagai fotoelektron dengan energi

EK kinetik diberikan sebagai:

EK = hv – EB

dimana hv adalah energi foton insiden dan EB adalah energi ikat elektron.

Koefisien pelemahan atom untuk efek fotolistrik aτ sebanding dengan( Z4 /

hv3) , sedangkan koefisien atenuasi massa untuk fotolistrik efek τm

sebanding dengan (Z / hv3) , dimana Z adalah nomor atom hv dari attenuator

dan adalah energi foton.

Selain penurunan stabil τm dengan hn meningkat, plot τm vs hv juga

menunjukkan diskontinuitas tajam tm ketika hn sama dengan energi ikat

untuk kulit elektonik tertentu pada attenuator. Diskontinuitas ini, yang

disebut tepi penyerapan, mencerminkan fakta bahwa untuk hv kurang dari

energi ikat, foton tidak dapat menjalani efek fotolistrik dengan elektron

dalam kulit tertentu, sedangkan untuk hv lebih besar dari atau sama dengan

energi ikat mereka dapat.

Rata-rata energi yang ditransfer dari foton dengan energi hv> EB (K)

untuk elektron (EK) tr PE dalam efek fotolistrik diberikan sebagai berikut:

dimana EB (K) adalah energi ikat elektron orbital kulit K (fotoelektron), PK

adalah bagian dari semua interaksi efek fotolistrik yang terjadi di kulit K dan

ωK adalah hasil berpendar untuk kulit K. Kisaran PK adalah dari 1,0 pada

nomor atom rendah Z ke 0,8 pada nomor atom tinggi (lihat Gambar. 1,9).

1.4.5 Hamburan Koheren (Rayleigh).

Dalam hamburan koheren (Rayleigh) foton berinteraksi dengan orbital elektron terikat

(yaitu dengan aksi gabungan dari seluruh atom). Hamburan ini elastis dalam arti bahwa

foton tidak kehilangan energi intinya dan tersebar hanya melalui sudut kecil. Karena tidak

ada transfer energi terjadi dari foton ke partikel bermuatan, hamburan Rayleigh tidak

memainkan peran dalam koefisien transfer energi, namun memberikan kontribusi

terhadap koefisien atenuasi.

Penampang Atom untuk hamburan Rayleigh sebagai aσ R sebanding dengan (Z /

hv) 2 dan koefisien atenuasi massa σ R / ρ adalah sebanding dengan Z / (hv) 2.

Dalam jaringan dan bahan setara jaringan tingkapengaruh hamburan Rayleigh

relative kecil dibandingkan dengan interaksi foton lain, karena kontribusinya

hanya beberapa persen atau kurang untuk koefisien atenuasi keseluruhan.

1.4.6 Efek Compton (Hamburan inkoheren)

Efek Compton (hamburan inkoheren) merupakan interaksi foton dengan elektron

dasarnya 'bebas dan stasioner' orbital. Insiden energi foton hv jauh lebih besar daripada

energi ikat elektron orbital. Foton kehilangan bagian dari energi untuk elektron mundur

(Compton) dan tersebar sebagai foton hn ¢ melalui sudut hamburan q, seperti yang

ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1.5. Angle f merupakan sudut antara arah

foton insiden dan arah elektron mundur.

Perubahan panjang gelombang foton ∆ λ diberikan oleh hubungan Compton:

manaλc adalah panjang gelombang Compton untuk elektron, dinyatakan sebagai:

Dan

dimana ε adalah normalisasi energi foton insiden:

Gambar. 1.5. Diagram hamburan Compton. Sebuah foton dengan energi hn

berinteraksi dengan elektron atom terikat longgar (pada dasarnya bebas).

Elektron keluar dari atom sebagai mundur (Compton) elektron dengan energi

kinetik EK dan foton tersebar dengan energi hv’ = hv - EK diproduksi (lihat

Persamaan (1.79).).

dan EK adalah energi kinetik dari elektron mundur. Persamaan (1.79) merupakan

konservasi energi; Pers (1.80) dan (1.81) merupakan konservasi momentum

sepanjang sumbu x dan sumbu y, masing-masing, dari Gambar. 1.5.

Hamburan sudutθdan mundur elektron sudut∅ terkait melalui hubungan berikut:

Dari Persamaan. (1.82) jelas bahwa rentang sudut φ adalah antara 0 untuk θ =

Π(foton hamburan balik) dan Π / 2 untuk θ = 0 (hamburan maju foton) untuk

setiap energi foton acak. Untuk θ diberikan, semakin tinggi energi foton, semakin

kecil sudut elektron mundur φ.

Interaksi Compton merupakan interaksi foton dengan elektron bebas dan

stasioner (hv >> EB). Akibatnya, atom koefisien atenuasi Compton aσC linear

tergantung pada nomor atom Z attenuator, sementara eσC dan σC / ρ, masing-

masing koefisien atenuasi Compton dari elektronik dan massa, adalah tergantung

Z.

Koefisien atenuasi Compton Elektronik eσC terus menurun dengan hv dari nilai

0,665 × 10-24 cm2/electron pada energi foton rendah menjadi 0,21 × 10-24

cm2/electron di hv = 1 MeV; 0,051 × 10-24 cm2/electron di hv = 10 MeV, dan

0,008 × 10-24 cm2/electron di hv = 100 MeV.

Hamburan foton hn energi dan energi kinetik dari elektron Compton EK diberikan

sebagai berikut:

Energi dari foton tersebar di 90 º dan 180 º demikian diberikan sebagai:

yang untuk besar energi foton (e = hn / (mec2) Æ • menghasilkan mec2 dan 0,5

mec2 untuk q = 90 º dan q = 180 º, masing-masing.

Maksimum (untuk q = 180 º (yaitu foton hamburan balik)) dan rata-rata fraksi

dari energi foton ditransfer ke mundur elektron Compton diberikan pada Gambar.

1.6. Rata-rata fraksi yang digunakan dalam penentuan kontribusi efek Compton

dengan koefisien transfer energi.

Sebagai contoh, dari Gambar. 1.6 kita menentukan bahwa 1 MeV foton

mengalami peristiwa hamburan balik Compton akan menghasilkan elektron

recoil dengan energi kinetik 800 keV dan foton backscattered dengan energi 200

keV.

Rata-rata, 1 MeV foton hamburan Compton menjalani akan menghasilkan 440

keV mundur elektron dan 560 keV tersebar foton, sebuah 100 keV foton akan

menghasilkan 15 keV mundur elektron dan 85 keV tersebar foton, 10 MeV foton

akan menghasilkan 6,9 MeV mundur elektron dan 3.1 MeV tersebar foton, dan

100 MeV foton akan menghasilkan 80 MeV mundur elektron dan 20 MeV

tersebar foton.

1.4.6 Produksi pasangan

Dalam produksi pasangan foton menghilang dan pasangan elektron-positron

dengan gabungan energi kinetik sama dengan hv - 2mec2 diproduksi di bidang nuklir

Coulomb.

Maksimum dan berarti fraksi energi foton ditransfer ke elektron Compton mundur

dalam rentang energi foton dari 10 keV sampai 100 MeV. Data diperoleh dari Institut

Nasional Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (NIST) di Washington, DC

(www.nist.gov).

Karena massa diproduksi dari energi foton dalam bentuk sebuah pasangan

elektron-positron, produksi pasangan memiliki ambang batas energi (energi foton

minimum yang diperlukan untuk efek terjadi) dari 2mec2 = 1,02 MeV.

Ketika produksi pasangan terjadi di bidang elektron orbital, efek ini disebut

sebagai produksi triplet, dan tiga partikel (pasangan elektron-positron dan

elektron orbital) berbagi energi yang tersedia. Ambang batas untuk efek ini

adalah 4mec2.

Kemungkinan untuk produksi pasangan adalah nol untuk energi foton di bawah

energi ambang dan meningkatkan cepat dengan energi foton di atas ambang

batas.

Koefisien atenuasi atom untuk pasangan produksi ak dan koefisien atenuasi

massa produksi pasangan k / r bervariasi kurang lebih sebagai Z2 dan Z, masing-

masing, di mana Z adalah nomor atom attenuator.

1.4.8 Reaksi Photonuclear

Reaksi Photonuclear (juga disebut sebagai reaksi photodisintegration) terjadi

ketika sebuah foton energi tinggi diserap oleh inti atom, mengakibatkan emisi

neutron ((x, n) reaksi) atau proton ((x, p) reaksi) dan transformasi inti menjadi

produk reaksi radioaktif.

● Ambang batas untuk reaksi photonuclear tertentu tergantung pada reaksi dan

nukleus dan dari urutan 10 MeV atau lebih tinggi untuk sebagian besar inti

(dengan pengecualian dari deuteron dan 9BE inti, dimana ambang batas dari

urutan 2 MeV).

● Probabilitas untuk reaksi photonuclear jauh lebih kecil dibanding untuk

interaksi foton lainnya, dan kontribusinya terhadap total koefisien atenuasi adalah

hanya sebesar beberapa persen pada tingkat energi foton di atas ambang reaksi.

● Sementara reaksi photonuclear tidak memainkan peran aktif dalam

pertimbangan atenuasi foton, mereka menjadi perhatian dalam radioterapi ruang

perawatan energi tinggi karena produksi neutron melalui reaksi (x, n) dan karena

radioaktivitas yang diinduksi di ruang udara pengobatan dan komponen mesin

melalui reaksi (x, n). Kedua neutron dan radioaktivitas menimbulkan bahaya

kesehatan bagi personil dan harus ditangani di ruang perawatan dan desain mesin

pengobatan. Masalah neutron ditangani dengan pintu ruang perawatan khusus

menggabungkan bahan hydrogenous berborat untuk thermalize dan menyerap

neutron, radioaktivitas dengan ventilasi ruang yang memadai (enam sampai

delapan perubahan udara per jam) dan menggunakan komponen mesin dengan

reaksi rendah penampang dan pendek paruh produk reaksi.