2.X 射线与γ射线和物质的相互作用

现在的电子加速器已经能够产生高达 1GeV 的 X 射线，而放射性同位素发射的γ射线的能量从几十 keV 到几 MeV。γ射线和 X 射线实质上都是电磁波， γ粒子和 X 粒子都是光子，它们与物质相互作用时所发生的物理效应主要有：光电效应、康普顿效应和电子对效应三种。

光电效应

光子与物质碰撞时，把它的全部能量交给物质原子中的核外电子，电子把所得到的能量的一部分用于克服原子核对它的约束，剩下的能量就作为电子的动能，而光子整个地被物质所吸收。这种效应就是光电效应，在光子能量低时占主导地位。由光电效应生成的自由电子称为光电子。

而当入射的光子能量增高一些，原子内层的核外电子也会被激发出来， 同时伴随着 X 射线的发射。由于每一种元素用这种方式产生的 X 射线的能量是一定的，因此把这种 X 射线称为特征 X 射线。测定和分析特征 X 射线就可以对各种元素进行定性和定量的分析，这就是各种 X 射线分析的基础。

康普顿效应

当一个具有足够能量的入射光子打到原子中的一个电子，还可能发生如图 4.1 所示的过程。入射光子和电子之间的相互作用好像我们很常见的 2 个小球之间的弹性碰撞。在碰撞之前入射光子具有能量 hc/λ和动量 h/λ，碰撞之后，光子将一部分能量转移给电子后以偏离原来的方向θ角度方向散射出去，从光子那里得到能量的电子沿着与光子入射方向成ψ角度运动。散射光子的能量变为 hc/λ′，动量变为 h/λ′。这个效应是首先由美国物理学家康普顿发现的，因此称为康普顿效应。

电子对效应

当电子的能量大于 1.022MeV 时，它与物质相互作用时，光子在被物质吸收的同时，会转化为一个电子和一个正电子，就是所谓的电子对。

正电子和电子不同，它极不稳定，寿命只有 10-10～10-7 秒。通过与物质中的电子相结合，再先转化为 2 个光子，这种现象称为正电子湮灭效应，所产生的光子叫做湮没辐射或光化辐射。湮没辐射的特征能量是 0.511MeV。通常当能量大于 1.022MeV 的γ射线入射原子序数较高的物质时，很容易探测到这种特征能量为 0.511MeV 的次级辐射——湮没辐射。

光子与物质相互作用时所发生的以上三种效应和光子的能量有关系，当能量较低时，光电效应占主导地位；当能量增加到 200keV 以上时，康普顿- 吴有训效应就变得重要起来；当光子的能量进一步增加到大于 1.022MeV 时，电子对效应才开始变得显著起来。而且这三种效应还与物质的原子序数Z 有关，Z 低时效应小，Z 高时效应强。