光电效应

1902年德国物理学家勒纳(Philipp Lenard)发现金属表面在光的照射下发射电子。

γ(或X)射线通过物质，与物质原子相碰撞，可能将全部能量传递给原子，入射的γ射线(光子)全部消失。能量在原子中分配，使结合能适当的电子获得能量克服原子核的束缚(结合能)发射出去，并使原子受到反冲。这样的作用过程称为光电效应，发射的电子称为光电子。

由于原子的质量远大于电子质量，所以原子的反冲动能是很小的，可以忽略不计。则根据能量守恒定律，光电子的动能(E_e)：

E_e=hν-E_n (2-2-1)

式中：hν为入射γ(或X)射线(光子)的能量；E_n为原子核外电子壳层(n为K层，L层或N层…)的结合能。光电子能量与入射γ射线能量(hν)有关。光电子的飞出方向与入射γ(或X)射线的能量相关。根据动量守恒与能量守恒的原理，由于碰撞过程有原子的反冲，在光子入射方向和180°方向上没有光电子发射。在γ光子能量较低时，在垂直γ光子入射方向上光电子发射几率最大；随着γ光子能量的增加，逐渐向入射方向靠近。如图2-2-1所示。光电子与电子一样，在物质中运动逐渐损失能量而被阻止。

图2-2-1 不同γ光子能量时光电子分布(极坐标)

当入射γ(或X)光子能量比电子静止质量(m₀c²=511keV)小很多时，对于单位厚度物质产生光电效应的几率(τ)随光子能量变化的经验表示式为

核辐射场与放射性勘查

式中：Z为物质原子序数；若为复杂成分物质，则为有效原子序数；E_r为入射光子能量；C为一常数，与入射γ光子能量有关。τ称光电吸收系数，或称光电吸收(效应)截面，表示γ光子束垂直穿过1cm物质层时产生光电效应的几率，单位为cm^-1。如果物质层的每单位体积中有N个原子，并且假定每个原子截住入射γ光子产生光电效应的截面是τ_a，则

τ=τ_aN (2-2-3)

式中：N可以由物质的密度ρ、原子质量数A和阿伏加德罗常数L₀求出，即N=ρ·L₀/A，因此有

核辐射场与放射性勘查

式中：τ/ρ=τ_m称质量光电吸收系数(或截面)，单位为cm²/g；τ_a称原子光电吸收系数，表示原子截住入射γ光子产生光电效应的几率，单位为cm²或巴恩(1 巴恩=10^-28m²)总的物质光电吸收系数τ的大小，决定于每个τ_a的大小。

公式(2-2-2)还表明，τ与物质原子序数Z⁵成正比，相同能量γ光子产生光电效应的几率随Z增大而迅速增强。τ与入射γ光子能量的3.5次方成反比，说明E增大产生光电效应的几率将显著降低。如图2-2-2所示，每个元素的光电吸收截面均随入射光子能量增大而减小。

图2-2-2 光电吸收截面

什么是光电效应