Фотоэффект. 
Надзор и контроль в сфере безопасности. 
Радиационная защита

Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Открыт немецким физиком Г. Герцем в 1887 г., а теоретическое объяснение дано А. Эйнштейном в 1905 г. Фотоэффект — это квантовое явление. Он невозможен на свободном электроне, так как законы сохранения энергии и импульса требуют участия в этом взаимодействии третьего тела. При атомном фотоэффекте первичный фотон поглощается атомом и передает одному из электронов всю свою энергию. В результате этот электрон (фотоэлектрон) покидает атом с некоторой кинетической энергией, которую можно найти из закона сохранения энергии для этого процесса (соотношения Эйнштейна).

где Е_у — энергия первичного фотона,^{-энергия} связи фотоэлектрона на Q- оболочке атома (К, L, М,…). Из формулы (6.1) следует, что фотоэффект — это пороговый процесс, так как энергия первичного фотона должна быть больше энергии связи электрона на соответствующей оболочке.

Результатом фотоэлектрическог о поглощения фотона является ионизация атома, т. е. его переход в возбужденное состояние, которое является неустойчивым. Последующий переход атома в нормальное состояние происходит путем испускания характеристического (флуоресцентного) рентгеновского излучения (ХРИ) и оже-электронов. При этом сумма энергий фотонов ХРИ и оже-электронов равна энергии, затраченной первичным фотоном на ионизацию атома.

При радиационном (излучательном) переходе свободное место электрона на 0-уровне заполняет электрон с более высокого уровня Y, и при этом испускается фотон характеристического излучения. Энергия этого фотона определяется формулой, которая соответствует закону сохранения энергии, и равна.

где W_Q > W_Y, a v_QY — частота испущенного фотона. При переходах на внутренних оболочках (К, L, М) эта энергия в зависимости от порядкового номера вещества Z составляет от единиц до десятков килоэлектронвольт. Чем больше Z вещества, гем выше энергии связи электронов для соответствующих оболочек и тем больше энергии фотонов, испускаемых при переходах между ними.

Все разрешенные переходы с верхних уровней на^{-уровень} образуют ХРИ К-серии, которая содержит наибольшие энергии фотонов. Переходы на /.-уровень образуют набор ХРИ L-серии и т. д. В соответствии с формулой (6.2), наибольшая энергия ХРИ всегда меньше энергии связи (ионизации) той оболочки, с которой выбивается фотоэлектрон. В атоме после радиационного перехода остается одна вакансия, т. е. он остается еще в возбужденном состоянии.

В случае безрадиационного перехода свободное место электрона на (Хуровне заполняет электрон с более верхнего уровня У, а выделившаяся при этом энергия передается одному из электронов с вышележащего уровня X, который покидает атом (оже-электрон). Оже-эффект может иметь место только, если для энергий этих уровней выполняется условие WQ — WY > Wx. Кинетическую энергию оже-электрона Та можно найти из выражения:

После оже-эффекта в атоме появляются две вакансии. Если одна из вакансий находится в гой же оболочке, из которой был выбит фотоэлектрон, то такой оже-эффект называется переходом Кестера-Кронига.

Схемы обоих способов снятия возбужденного состояния атома после фотоэффекта приведены па рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схемы радиационного перехода и оже-эффекта

Фотон характеристического излучения и оже-электрон обладают энергиями, характерными для данного атома, так как электронные переходы происходят между энергетическими уровнями, имеющими определенные энергии. Эта информация может быть использована (и используется) для изучения многих характеристик облучаемого объекта, например его состава.

Из описания обоих типов переходов следует, что после заполнения первичной вакансии, например на Х-оболочке, и высвобождения части энергии в виде ХРИ или оже-электрона атом остаегся в возбужденном состоянии, так как появляются вакансии на более высоких энергетических уровнях. Возвращение атома в невозбужденное состояние происходит путем последовательной серии радиационных и безрадиационных квантовых переходов с постепенным уменьшением энергии ХРИ и оже-электронов.

Рис. 6.2. Зависимость вероятности радиационных переходов на К-оболочке от Z

Процессы радиационного и безрадиационного переходов — конкурирующие процессы, при этом.

где Р_х — вероятность радиационного перехода, Р₀ — вероятность ожеэффекта. На рис. 6.2 приведена зависимость Р_х от Z вещества для фотоэффекта на Х-оболочке (Р_{х к}). Из этого рисунка следует, что вероятность радиационного перехода тем выше, чем больше атомный номер вещества Z. Для веществ с небольшим Z более вероятен оже-эффект.

Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом энергии связи электрона в атоме, поэтому фотопоглощение происходит главным образом на внутренних оболочках атома (К, L, …) при условии, что энергия первичного фотона Е,_; больше W_K(W_L, …). С уменьшением Z уменьшается энергия связи электронов в атоме и, следовательно, уменьшается вероятность фотоэффекта. Если Е_у больше У_к, то фотоэлектрон выбивается не обязательно с К-

оболочки, так как имеется определенная вероятность, что фотоэффект произойдет на более высокой оболочке (L, М, …). Но основной вклад в сечение фотоэффекта при этом дают электроны с Х-оболочки. Если Е_у больше W_K, то сечение фотоэффекта на Х-оболочке составляет примерно 80% от полного сечения фотоэффекта. С точностью (2−3)% отношение о_ф/о_{ф к} можно определить по эмпирической формуле:

Теоретические формулы, выражающие зависимость сечения фотоэффекта (Сф, Е_ф), от Z и Е , которые получены в квантовой электродинамике для общего случая любой энергии и любого вещества, имеют сложный вид и являются приближенными. Для практических целей обычно используют табличные данные [8, 9, 13, 15, 16, 20], реже — эмпирические формулы.

Примерную зависимость микроскопического сечения фотоэффекта на К- оболочке (о_{ф к}) для больших энергий фотонов (Е_у «т_ес²) дает формула Заугера:

где r_e = 2,82−10 ¹³ см — классический радиус электрона; т_ес² = 0,511 МэВ — энергия покоя электрона. Для нерелятивистской области энергий (Е_у «т_ес²) такую зависимость даст формула Гайтлсра:

Из формул (6.3) и (6.4) следует, что сечение фотоэффекта ~ Z~ и быстро.

Рис. 6.3. Зависимость макроскопического сечения фотоэффекта от энергии фотона

увеличивается с уменьшением энергии первичного фотона. Качественно эту зависимость можно представить в виде.

Поэтому фотоэффект играет существенную роль в веществах с большим Z и при небольших энергиях фотонов. Например, фотоэффект является основным процессом взаимодействия фотонов в алюминии (Z =13) для Е_у < 0,05 МэВ, а в свинце (Z = 82).

при Е_у < 0,5 МэВ.

Как отмечено выше, сечение фотоэффекта увеличивается с уменьшением Е_у, но в тех случаях, когда Е_у = W_Q (граница поглощения 0-оболочки), сечение.

Рис. 6.4. Угловое распределение фотоэлектронов для различных энергий фотонов

испытывает скачкообразное уменьшение, так как электрон не может быть выбит с этой оболочки, а затем опять монотонно возрастает, испытывая скачкообразное уменьшение при энергии связи следующей оболочки. Поэтому зависимость сечения от энергии фотона имеет форму спадающей ступенчатой кривой (рис. 6.3), кавдая ступень которой связана с вкладом в сечение фотоэффекта одного из энергетических уровней атома.

Вторичное излучение, возникающее в результате фотоэффекта — это фотоэлектроны, ХРИ и оже-электроны. Угловое распределение ХРИ и ожеэлектронов изотропное. Если Еу «т_ес², то фотоэлектроны летят в основном перпендикулярно направлению движения первичного фотона, в направлении электрического вектора падающего излучения, который определяет направление силы, действующей на фотоэлектрон. С увеличением Е_у угловое распределение фотоэлектронов становится все более «вытянутым» в направлении первичного фотона (рис. 6.4).

В заключение отметим, что ионизация атома с выбиванием электронов внутренних оболочек может происходить не только под действием фотонов, но и под действием заряженных частиц, например электронов, протонов. Последующее снятие возбужденного состояния атома происходит теми же способами, что и при фотоэффекте (ХРИ, оже-эффект). Это означает, что при прохождении через вещество, например, электронного (протонного) пучка с достаточной энергией в нем генерируется ХРИ с соответствующим набором спектральных линий.