광자, 광전 효과, 컴프턴 산란, 전자쌍 생성

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광자와 물질과의 상호작용

광자는 전하를 띠지 않기 때문에 물질내에서의 에너지 소모과정은 정전기적인 힘과는 무관하며 원자와 직접적인 물리적 접촉을 통해 에너지를 잃는다. 광자의 크기는 원자의 크기보다 물리적으로 아주 작다. 따라서 전자 또는 핵과 반응하기 전까지 물질을 자유롭게 투과할 수 있으며 물질과 반응할 확률은 매우 낮다.

광자가 물질의 원자 또는 핵과 반응을 하면 2차전리를 일으킬 수 있는 하전입자(전자)를 생성하므로 이런 종류의 방사선을 "간접전리방사선(indirectly ionizing radiation)"이라 부른다.

한편, 감마선과 X-선의 구분은 광자의 발생원이 핵으로부터(감마선)인가 핵의 외부에서 발생(X-선)하는가에 따라 구분하여 칭할 뿐이며 성질 및 물질과의 반응형태는 동일하다.

광전효과(Photoelectric Effect)

입사광자가 흡수체 원자의 궤도전자에 모든 에너지를 부여하는 과정으로 대개 전자의 결합에너지보다 큰 에너지가 전달되므로 전자는 궤도로부터 이탈하게 된다. 이 과정에서 이탈된 전자를 광전자(photoelectron)라 부른다. 광전자의 운 동에너지는 아래 식과 같다.

Ee = Er - Eb

광전효과가 일어날 확률은 광자의 에너지가 전자의 결합에너지에 상응할 때

최대가 되므로 물질의 전자결합에너지만큼 낮은 에너지영역에서 지배적으로 일어나며 물질의 원자번호가 높을수록 증가한다.

Compton 산란(Compton Scattering)

입사광자가 원자에서 느슨하게 결합된 전자(최외각전자)에 부분적으로 에너지를 전달하는 과정으로 광자는 더 낮은 에너지로 산란되고 2차전리를 일으킬 수 있는 반도전자 또는 되튐전자(recoil electron)를 생성한다. 컴프턴 산란은 중간 에너지 영역의 광자에서 지배적으로 일어난다. 물질의 원자번호가 높은 수록 확률은 증가한다. 산란된 광자의 에너지는

이고, 반도전자의 운동에너지는 "Ee = Er - Er'"로 주어진다.

전자쌍생성(Pair Production)

입사광자가 강한 전기장을 형성하는 핵 주위에서 소멸되고 음전자와 양전자 를 생성하는 과정이다. 물론 이들 전자의 질량은 광자의 에너지로부터 생성 (E=mc2)되므로 전자쌍생성은 입사광자의 에너지가 전자쌍의 정지질량에너지 인 1.022MeV이상인 경우에만 발생한다.

1.022MeV 이상의 에너지를 지닌 광자가 전자쌍생성을 일으킨다면 여분의 에 너지는 음전자와 양전자의 운동에너지로 전환된다.

전자쌍생성이 일어날 확률은 입사광자의 에너지가 클수록 또는 물질의 원자 번호가 높을수록 증가한다. 여기서 생성된 음전자와 양전자가 각각 2차전리 를 일으키다가 정지하게 되면 양전자는 주위의 음전자와 결합하여 소며감마선으로 전환된다.