تناولت الدراسات فيزياء الأحداث التي تحدث عندما تتفاعل الفوتونات والإلكترونات مع المادة. هذه هي الإشعاعات المهمة للأشعة التشخيصية ويتم التعامل فقط مع تلك التفاعلات التي تؤدي إلى توهينها وامتصاصها وتشتتها. التفاعلات الأخرى، مثل تلك التي تحتوي على نوى لا يتم أخذها في الاعتبار لأنها تحدث فقط للإشعاع الذي يحتوي على طاقة أعلى من تلك المستخدمة في الأشعة التشخيصية.
الأشعة السينية
الأشعة السينية من الطاقة لبضع عشرات من الكيلو إلكترون فولت أو نحو ذلك لها طول موجي يبلغ بضعة نانومترات. نظرًا لأن هذا يقع أيضًا في النطاق العام للأبعاد الذرية، فمن المتوقع حدوث تفاعلات بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والذرات وهذا هو الحال بالفعل.
أبعاد الإلكترون (نصف القطر الكلاسيكي للإلكترون هي 2.8 م) تتوافق مع النهاية الأعلى لنطاق طاقة الأشعة السينية التشخيصية، ويتوقع المرء أن تكون هذه هي المنطقة العامة التي تحدث فيها التفاعلات بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والإلكترونات المكونة من الذرات.
نطاق الطاقة في الأشعة التشخيصية
نطاق الطاقة المستخدمة في الأشعة التشخيصية يقع عمومًا على الحد الفاصل بين الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الكمومية وبعد مبدأ التكامل، ستتم معالجة التفاصيل العددية للتفاعلات من خلال التفكير الكلاسيكي حيثما كان ذلك مناسبًا ومن خلال اعتبارات ميكانيكا الكم حيث يعطي ذلك نتائج متفوقة.
يختلف سلوك الفوتونات والإلكترونات أثناء عبورها للمادة اختلافًا كبيرًا، كما تحتوي الفوتونات بشكل عام على صفر أو تفاعل واحد أو عدة تفاعلات ويتم إضعافها أضعافًا مضاعفة، يعد الحساب المباشر للتأثيرات المجمعة للعديد من التفاعلات أمرًا صعبًا، وعادةً ما تُستخدم تقنيات مونت كارلو لدراسة نقل الفوتون عبر الوسائط السائبة، يتم التعبير عن تفاعلات الفوتون من حيث المقاطع العرضية للتفاعلات الفردية ومعاملات التوهين للمرور عبر الوسائط السائبة.
تشهد الإلكترونات عددًا كبيرًا من التفاعلات وتفقد الطاقة بشكل تدريجي بشكل عام حتى تتوقف، كما يتم التعبير عن هذا من حيث نطاق الإلكترون وقوى إيقاف المواد.
تفاعلات الإشعاعات
تفاعلات الإشعاعات مثل الفوتونات والإلكترونات عشوائية وتطيع قوانين الصدفة. بالنسبة لإشعاع الفوتون، يتبع مفهوم المقطع العرضي وعلاقته بالاحتمال مباشرة، كما يمكن تفسير ذلك بدلاً من ذلك ببساطة من خلال اعتبار أن فوتونًا واحدًا يقع على لوح من مادة في المنطقة A تحتوي على هدف واحد لمنطقة المقطع العرضي σ.
سيكون احتمال تفاعل الفوتون مع الهدف هو نسبة المنطقتين: σ / A. بعد ذلك، هناك فوتونات يتم توجيهها عشوائيًا إلى المنطقة A، علاوة على ذلك، تحتوي تلك المنطقة A على عدد من الأهداف ولكل منها منطقة σ. من السهل أن نرى أن العدد المتوقع للتفاعلات ΔΦ بين الفوتونات والأهداف.
سيكون المقطع العرضي لها مقطعًا عرضيًا ذريًا، لن تكون هذه مساحة فعلية للذرة ولكنها ستكون منطقة فعالة للتفاعل بين الفوتون والذرة التي يتم النظر فيها. غالبًا ما يتم تمثيل المقاطع العرضية بالرمز σ ويتم التعبير عنها تقليديًا في وحدة مساحة تسمى الحظيرة.
هناك أربعة تفاعلات أساسية للأشعة السينية نحتاج إلى أخذها في الاعتبار، كما يمكن ربط كل منها بمقطع عرضي محدد. من المفيد استخدام رموز مختلفة لتمثيلها: يستخدم t للدلالة على المقطع العرضي للفوتون للتفاعل مع الذرة بالتأثير الكهروضوئي، كما تعتبر التفاعلات الثلاثة الأولى من هذه التفاعلات مهمة في نطاق الطاقة التشخيصية حتى 150 كيلو فولت، في حين أن الإنتاج الثنائي والثلاثي مهم فقط في طاقات أعلى بكثير، ويتم معالجتها هنا فقط للتأكد من اكتمالها.
التأثير الكهروضوئي
في التأثير الكهروضوئي، يتفاعل الفوتون الساقط مع ذرة تُترك في حالة الإثارة، كما يتم إطلاق الطاقة الزائدة عن طريق طرد أحد الإلكترونات المرتبطة بالنواة. هذا الإلكترون المسمى فوتو إلكترون، يترك الذرة مع طاقة حركية، الطاقة المنقولة إلى ذرة الارتداد صغيرة جدًا ويمكن إهمالها، كما يمكن أن يحدث التأثير الكهروضوئي فقط إذا كانت طاقة الفوتون، تتجاوز طاقة الارتباط للإلكترون في تلك الغلاف. غلاف الإلكترون الأكثر احتمالا أن يفقد إلكترونًا هو الذي يلبي هذا القيد ولديه أيضًا أعلى طاقة ربط.
على الرغم من أن هذه تبدو عملية بسيطة إلى حد ما، إلا أن حساب احتمالية التفاعل معقد للغاية وميكانيكا الكم مطلوبة. هذا لأنه يتضمن الوظيفة الموجية لسحابة الإلكترون الذري بأكملها، وهذه الوظائف متاحة فقط للذرات البسيطة نسبيًا. في نطاق الطاقة التشخيصية حتى 150 كيلو فولت، يتم إعطاء المقطع العرضي للتأثير الكهروضوئي لكل ذرة.
يشير هذا التعبير إلى اعتماد قوي جدًا على العدد الذري، بالإضافة إلى الاعتماد العكسي القوي على طاقة الفوتون، كما توافق الانقطاعات الحادة مع مواضع حواف الامتصاص للمواد المختلفة والتي تزيد في الطاقة مع زيادة العدد الذري وطاقة ربط الغلاف.
تمثل حالات الانقطاع في المقطع العرضي من التنجستن عند طاقات أكبر من 10 كيلو فولت فقط تأثير الغلاف، وهو أكثر تعقيدًا لأنه يتكون من ثلاثة أقسام فرعية، كما يختفي الفوتون الحادث في التفاعل الكهروضوئي. بعد التفاعل ويُترك شاغر في بنية الغلاف الذري ويتم ملؤه بواسطة إلكترون من غلاف أعلى، مع اختلاف الطاقة الناتج إما عن طريق أشعة سينية مميزة (تُعرف أيضًا باسم الأشعة السينية الفلورية) أو بواسطة إلكترون آخر من غلاف أعلى، يُعرف باسم إلكترون أوجيه.
بعد ملء الشاغر الأولي، سيتم ملء الوظيفة الشاغرة أو الوظائف الشاغرة نفسها وستستمر هذه العملية مع مجموعة من الأحداث التي قد تترك الذرة في النهاية في حالة تأين عالية.
