V minulém článku jsme si řekli obecně, jaké jsou interakce rentgenových (rtg) fotonů s materiálem. V tomto článku si podrobněji vysvětlíme, co se děje při fotoelektrickém jevu.

Fotoelektrický jev (fotoefekt) je interakce, při které dochází k přenosu energie dopadajícího fotonu elektronu na vnitřní elektronové slupce (slupka blízko jádra atomu) atomu materiálu, na který foton dopadá (více o elektronových slupkách zde). Elektron z vnitřní elektronové slupky se uvolní, energie dopadajícího fotonu však musí být větší, než je vazebná energie elektronu na dané slupce (hv > E_v). Pak je energie uvolněného elektronu E_k rovna rozdílu energie dopadajícího fotonu hv a vazebné energie elektronu na dané slupce E_v:

Uvolněním elektronu z vnitřní elektronové slupky vzniká na této vnitřní slupce místo, které je zaplněno elektronem z vyšší elektronové slupky. Při přeskoku elektronu z vyšší slupky na nižší, např. z L slupky na K slupku, je rozdíl vazebných energií E_k-E_l vyzářen ve formě fotonu charakteristického záření nebo vznikne Augerův elektron, kdy je rozdíl energií mezi slupkami předán elektronu na vnější slupce, který se tím uvolní. Fotoefekt je doprovázen emisí fotonů charakteristického záření nebo produkcí Augerových elektronů.

Fotoefekt nastává s určitou pravděpodobností na slupce nejblíže jádru, je-li energie dopadajícího fotonu vyšší než vazebná energie elektronů na této slupce. Je-li tato podmínka splněna pro elektronovou slupku K, pak dochází s 80-% pravděpodobností k fotoefektu na slupce K. Poměr pravděpodobností pro fotoefekt na slupkách K, L, M je roven 20:4:1.

Na volném elektronu nelze splnit zákon zachování energie a hybnosti současně, proto probíhá fotoefekt pouze na vázaných elektronech.

Fotoefekt je více pravděpodobný při nižších energiích dopadajících fotonů, ale současně musí být energie větší než je vazebná energie elektronu na dané slupce. Současně má fotoefekt vyšší pravděpodobnost vzniku pro materiály s vyšším protonovým číslem Z (kosti, kontrastní látky), závislost účinného průřezu na protonovém čísle Z je Z^3-Z^5. Závislost účinného průřezu pro fotoefekt je skoková kvůli absorpčním hranám a je znázorněna na obr. 1 pro různé materiály.

Obr. 1: Účinný průřez pro fotoefekt pro různé materiály [1]

Závislost účinného průřezu fotoefektu, Comptonova rozptylu, tvorby párů a celkového účinného průřezu pro měkkou tkáň je uvedena na obr. 2.

Obr. 2: Závislost účinného přůřezu interakcí na energii [1]

Při průchodu fotonů látkou se uplatňují všechy tři hlavní typy interakcí – fotoefekt, Comptonův jev a tvorba párů. Zastoupení každé interakce je ovlivněno protonovým číslem materiálu Z a energií interagujících fotonů. Tato závislost je znázorněna na obr. 3. V místech křivek platí, že pravděpodobnost daných dvou typů interakcí je stejná.

Obr. 3: Zastoupení interakcí v závislosti na protonovém čísle materiálu Z a na energii [2]

Fotoefekt je interakce, která je v radiodiagnostice žádoucí, protože tvoří kontrast v obraze,

Fotoefekt je tedy interakce fotonu s elektronovým obalem, při které dochází k absorpci energie, díky které se uvolní elektron. Fotoefekt je doprovázen emisí charakteristického záření nebo Augerových elektronů. Účinný průřez pro fotoefekt rychle narůstá s rostoucím protonovým číslem materiálu Z a s klesající energií interagujících fotonů.

Použitá literatura:
[1] Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt EM, Boone JM. The essential physics of medical imaging. Second edition. Lippincott Williams & Wilkins, 2002, Philadelphia
[2] Musílek L. Jaderná a radiační fyzika. Skripta pro FJFI ČVUT v Praze