Με ποιούς μηχανισμούς αλληλεπιδρούν τα φωτόνια με την ύλη;

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Συμβαίνει όταν φωτόνιο μεγάλης ενέργειας απορροφάται από άτομο του μετάλλου και οδηγεί στην εκπομπή ηλεκτρονίων από τις εξωτερικές στιβάδες του ατόμου. Το άτομο έτσι ιονίζεται. Στη συνέχεια το ιονισμένο άτομο επιστρέφει στην ουδέτερή του κατάσταση με ταυτόχρονη εκπομπή άλλου φωτονίου, που είναι χαρακτηριστική του ατόμου. Τα φωτόνια αυτά που έχουν γενικά χαμηλότερη ενέργεια, απορροφούνται με σχετική ευκολία από τα άτομα του μετάλλου. Ο μηχανισμός αυτός του φωτοηλεκτρικού φαινομένου κυριαρχεί σε ενέργειες φωτονίων άνω των 500 KeV, τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στην επιφάνεια αυτή. Η φωτοηλεκτρική απορρόφηση είναι επίσης χαρακτηριστικό των ατόμων με μεγάλους ατομικούς αριθμούς.

Η Σκέδαση Compton

Γνωστή επίσης και ως ασύμφωνη σκέδαση, συμβαίνει όταν το φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτίνας μεγάλης ενέργειας συνήθως, εκτινάσσει ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο, ενώ συγχρόνως ένα φωτόνιο με χαμηλότερη ενέργεια σκεδάζεται από το άτομο. Στο μηχανισμό αυτό εφαρμόζονται οι σχετικιστικές διατηρήσεις ενέργειας και ορμής και το φωτόνιο που σκεδάζεται αφού έχει μικρότερη ενέργεια, έχει και μεγαλύτερο μήκος κύματος από το αρχικό. Η σκέδαση Compton είναι σημαντική για άτομα με μικρούς ατομικούς αριθμούς. Σε ενέργειες της τάξης των 100 keV — 10 MeV, η απορρόφηση των ακτίνων φείλεται κυρίως στο φαινόμενο Compton. 

Η παραγωγή ζεύγους σωματιδίων

Η παραγωγή ζεύγους μπορεί να συμβεί όταν η ενέργεια του φωτονίου συνήθως ακτίνων γ είναι μεγαλύτερη από 1,02 MeV. Τότε παράγονται ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο ενώ συγχρόνως εξαφανίζεται το φωτόνιο των ακτίνων. Τα ποζιτρόνια είναι πολύ βραχύβια σωματίδια και εξαφανίζονται ταχύτατα με σχηματισμό δύο φωτονίων ενεργειών 0,51 MeV.  Η παραγωγή ζεύγους είναι ιδιαίτερης σημασίας όταν φωτόνια υψηλής ενέργειας περνούν μέσα από υλικά με υψηλούς ατομικούς αριθμούς. Ενέργεια: > 1.02 MeV

Η σκέδαση Τhomson

Η σκέδαση Thomson είναι η σκέδαση του φωτός από ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και μπορούμε να την αντιληφθούμε ως εξής, όπως περιγράφεται από τον κλασσικό ηλεκτρομαγνητισμό :  Ας θεωρήσουμε ένα προσπίπτον ηλεκτρομαγνητικό κύμα πάνω σ’ ένα φορτισμένο σωματίδιο. Ως αποτέλεσμα του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου του κύματος το σωματίδιο επιταχύνεται. Το φορτισμένο σωματίδιο καθώς επιταχύνεται εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προς όλες τις κατευθύνσεις.  Αυτή η ακτινοβολία είναι το σκεδαζόμενο κύμα. Το αποτέλεσμα της σκέδασης του φωτός εξαρτάται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων με τα οποία αλληλεπιδρά. Έτσι η σκέδαση μας επιτρέπει να βγάλουμε συμπεράσματα για την ενέργεια των ηλεκτρονίων του πλάσματος. Η σκέδαση Thomson γίνεται εφόσον η ενέργεια των φωτονίων είναι πολύ μικρότερη από τη μαζική ενέργεια του σωματιδίου ή ισοδύναμα, εάν το μήκος κύματος του φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος Compton του σωματιδίου.

Μοριακή σκέδαση ή σκέδαση Rayleigh (Ρέιλι)  είναι το είδος της σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που οφείλεται στα μόρια του υλικού. Η σκέδαση γίνεται σημαντική όταν το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι αρκετά μεγαλύτερο από τη διάμετρο των μορίων, συνήθως τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερο. Η σκέδαση Ρέιλι είναι ελαστική, δηλαδή η ενέργεια και συχνότητα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι ίσες με τις αντίστοιχες της προσπίπτουσας. Επιπλέον, η σκέδαση είναι πολωμένη, ενώ είναι εντονότερη κατά τη διεύθυνση της πρόσπτωσης και προς τις δύο κατευθύνσεις.  Στο φαινόμενο αυτό οφείλεται το μπλε χρώμα του ουρανού την ημέρα και το ερυθρό κατά την δύση του ηλίου.

Σύμφωνη σκέδαση

Η σύμφωνη ή κλασσική ή ελαστική σκέδαση είναι μία από τις τρεις μορφές αλληλεπίδρασης φωτονίων – ύλης και παίζει σημαντικό ρόλο κατά την αλληλεπίδραση της ορατής ακτινοβολίας με σωματίδια της τάξης μεγέθους του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Συμβαίνει όταν η ενέργεια των ακτίνων Χ ή των φωτονίων γάμμα είναι μικρή σε σχέση με την ενέργεια ιοντισμού του ατόμου. Συνεπώς, συμβαίνει με ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας.  Κατά την αλληλεπίδραση με το μέσο, ​​το φωτόνιο δεν έχει αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο από την δεσμευμένη του κατάσταση (δηλαδή η ενέργεια των φωτονίων είναι πολύ κάτω από την ενέργεια ιονισμού του ηλεκτρονίου) κι έτσι δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας. Η μόνη αλλαγή είναι η αλλαγή κατεύθυνσης (σκέδασης) του φωτονίου, εξ ου και η «μη τροποποιημένη» διασπορά.

 

Φωτοδιάσπαση ή φωτομεταστοιχείωση πυρήνων

Είναι η διαδικασία με την οποία ένα φωτόνιο μεγάλης ενέργειας πχ γάμμα συλλαμβάνεται (απορροφάται) από τον πυρήνα του ατόμου και οδηγεί στην εκπομπή ενός σωματιδίου μέσα από τον πυρήνα του ατόμου λ.χ. νετρονίου ή πρωτονίου και τη μετατροπή του σε άλλον πυρήνα, οπότε όλη η ενέργεια του φωτονίου προσφέρεται στον πυρήνα. Επειδή απαιτούνται υπερβολικά υψηλές τιμές ενέργειας φωτονίων, η διαδικασία αυτή δεν είναι συνηθισμένη για τις ακτίνες Χ, αλλά ακτίνες γάμμα. Μπορεί να συμβαίνει όμως σε εργαστηριακά πειράματα ή σε αστρικές διαδικασίες στα υπερνόβα-σουπερνόβα.

 

Ένα φωτόνιο γ φέρει ενέργεια 2.22 MeV ή και περισσότερη, οπότε μπορεί να φωτοδιασπάσει – φωτομεταστοιχειώσει ένα πυρήνα δευτερίου.