[Physics] Interaction : Photo-electric Effect (광전효과)

Photoelectric effect(광전효과)의 경우,

• Photoelectron 
  X-ray 혹은 γ선의 photon이 가진 모든 energy를 소모하여, 전자궤도(주로 핵에 가까운 K-shell)돌던 전자를 photoelectron으로 만듦(=해당 전자를 궤도에서 탈출시킴) : 이때 photoelectron이 갖는 최대 운동 E는 X-ray 혹은 γ선의 photon이 가졌던 에너지에서 전자결합에너지를 뺀 값이 됨.
• Characteristic X-ray or Auger electron 
  phtoelectron 발생은 원자의 낮은 준위(=안쪽 전자궤도, 주로 K-shell)에 빈 자리(정공, hole)를 남기기 때문에 높은 준위(바깥쪽 전자궤도)의 전자가 해당 빈 자리를 채우게 되는 과정이 추가적으로 발생하게 됨 : 이 때 높은 준위와 낮은 준위의 결합에너지 차이 만큼의 energy가 characteristic X-ray 로 나오게 됨. 이 characteristic X-ray는 다른 전자궤도(주로 바깥쪽)의 전자를 추가로 방출 시킬 수도 있으며 이 때 방출된 전자를 Auger(오제) electron이라고 부름.

이 발생함.

 

방사선과 물질의 상호작용을 나타낸 그림. Photoelectric effect는 B에 해당함.

검출기에서의 interaction으로 한정지어 생각하면, 입사한 photon의 모든 에너지가 흡수되는 경우에 해당하며, 해당 검출기의 energy spectrum에서 photoelectric peak (=전흡수 피크)를 만들게 됨.

• Photoelectron과 Auger electron 모두 하전입자이고 낮은 kinetic energy를 가지기 때문에 멀리 이동하기 어려움 : 검출기나 인체에서의 interaction으로 발생한 경우, 주변에서 다시 흡수되게 됨 (즉, 전부 흡수됨.)
• Characteristic X-ray의 경우, 전자기파의 특성상 멀리 이동이 가능 : 즉, 검출기에서 빠져나올 수도 있으며 이 경우 characteristic X-ray escape peak가 해당 검출기의 energy spectrum에서 보임 (이 경우엔 전흡수가 아니며, 주로 K-shell의 결합E만큼 전흡수 peak에서 떨어져서 escape peak가 발생.).

 

흔히, Compton scattering가 Photoelectric effect는 경쟁적으로 발생하게 됨. (photon이 어느 준위의 전자와 상호작용했느냐에 따름.)

• 낮은 energy photon에선 Photoelectric effect가 보다 많이 발생.
• energy가 커질수록 compton scattering이 증가하게 됨.

Dominant photon/matter interactions according to atomic number (Z) and photon energy. , S Yip. 22.101 Applied Nuclear Physics, Fall 2006. Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare ( http://ocw.mit.edu )

1,022 keV 보다 작은 energy의 photon에서는 pair-production이 일어나지 않으므로 발생하는 interacton은 이 둘 중에 하나임 (Rayliegh scattering 제외)

• 진단용으로 사용하는 경우, 1,022keV를 넘는 경우 없다고 봐도 됨.

선원 주변의 차폐제 등과 반응

차폐제와 광전효과 일으켜 발생한 특정 X선이 검출기로 들어와 측정되는 경우도 있음. 이 경우, 특정 X선 peak가 낮은 E대에 발생함. (차폐제 등의 물질의 K-shell의 결합E 정도.)