V předešlých článcích byly popsány interakce rentgenových fotonů obecně, větší pozornost pak byla věnována interakcím důležitým v oblasti energií používaných v radiodiagnostice – fotoelektrickému jevu a Comptonovu rozptylu. V neposlední řadě pak i málo uplatňovanému koherentnímu rozptylu. V tomto článku bude z fyzikálního hlediska podrobněji popsán rozdíl mezi vázaným elektronem a volným elektronem, tak jak se uplatňují při fotoefektu a Comptonově rozptylu.

Jaký je přesně rozdíl mezi vázanou částicí a volnou částicí z hlediska fyziky? Je-li nějaká částice vázaná, myslí se tím, že částice je součástí nějakého systému a je potřeba dodat energii k tomu, aby byla částice z tohoto systému uvolněna (napadá mě ekvivalent s hroznovým vínem, kdy si trháme jednotlivé kuličky hroznů ze střapce).

Nechť je nyní tou částicí elektron. Je-li energie dopadajícího fotonu, která je k dispozici (kterou můžeme použít pro utržení hroznu ze střapce), podstatně menší než energie potřebná na uvolnění elektronu z elektronové slupky, jeví se elektron jako absolutně vázaný, není možné ho ze systému uvolnit. Jako příklad zde může sloužit použití nízkoenergetického záření (mikrovln) k produkci fotoefektu v hliníku. Energie mikrovln je příliš malá, nedojde k narušení vazby elektronu. Foton mikrovln není schopen excitovat elektron na vyšší energetickou hladinu. Elektron tak není schopen absorbovat foton, proto foton materiálem pouze prochází (nedojde-li k jiné interakci).

Je-li energie dopadajícího fotonu pouze o něco málo vyšší než energie potřebná na uvolnění elektronu ze slupky, pak dojde k uvolnění elektronu ze slupky. Ten se uvolní s určitou kinetickou energií (kinetická energie je rovna rozdílu energie dopadajícího fotonu a vazbové energie elektronu na dané slupce). Tento proces bude vypadat jako absorpce fotonu a následné uvolnění elektronu. Jedná se o fotoelektrický jev.

Je-li energie dopadajícího fotonu podstatně vyšší než energie potřebná na uvolnění elektronu ze slupky, pak bude elektron ze slupky uvolněn tak lehce, že ještě většina energie zůstane. Tato energie se rozdělí mezi energii rozptýleného fotonu a kinetickou energii uvolněného elektronu. Takže proces bude vypadat jako rozptyl. Jedná se o Comptonův rozptyl.

V tomto posledním případě (u Comptonova rozptylu) se elektron chová jako volná částice, protože jeho vazebná energie (energie potřebná pro uvolnění elektronu ze slupky) je zanedbatelná ve srovnání s energií dopadajícího fotonu. Jedná se o limitní případ – extrémně slabou vazbu, kde pojem slabá vazba vyjadřuje sílu vazby elektronu na slupce vzhledem k externí energii dopadajícího fotonu, resp. poměr vazebné energie a energie dopadajícího fotonu.

Jestliže stále není něco jasné, následující analogie může pomoci. Představme si, že máme kámen o hmotnosti 1 kg, který je lehce zasazen do země, třeba do hloubky 2 cm. Přijde-li mraveneček a bude se snažit pohnout s kamenem, nepovede se mu to. Kámen je z jeho pohledu absolutně vázaný svou potenciální energií. Přijde-li muž, pak s menším úsilím zastrčí prsty pod kámen a kámen nadzvedne ze své hloubky. Musel vynaložit trochu energie, takže kámen je z jeho pohledu vázaný, ale jen trochu. Pak přijede buldozer a jednoduše odtlačí kámen ze svého místa. Při tázání řidiče buldozeru bude odpovědí nejspíš něco ve stylu „O jakém kamenu to mluvíte? Byl zasazen v nějaké hloubce v zemi?“. Z pohledu buldozeru byl kámen volný. Zde jsou tedy tři případy, kdy se kámen jeví jako absolutně vázaný, trochu vázaný a volný a to všechno je ovlivněno pouze tím, jak velká je vnější energie.