光子の知識

1. 光子の電離プロセス ⚡

光子が物質を電離するまでには、2 つのステップを踏む。

1. 第一段階（相互作用）: 光子が電子や原子核に衝突！自分のエネルギーを電子に渡して、自身は消滅するか、方向を変える。
2. 第二段階（電離）: エネルギーをもらって弾き飛ばされた電子（二次電子）が、周辺の電子を次々と軌道から弾き出す。

2. 光子の相互作用 🎯

第一段階で起こる現象は、光子自身のエネルギーの強さによって決まっている！

エネルギー	現象	特徴
超低	干渉性散乱	エネルギーを失わず、方向だけ変える。
低	光電効果	全エネルギーを電子に渡し、自身は消滅！
中	コンプトン散乱	一部のエネルギーを電子に渡し、自身は散乱。
高	電子対生成	1.022 MeV 以上が必要！電子と陽電子が誕生。
超高	光核反応	10 MeV 以上が必要！原子核を直接壊す。

3. 散乱光子の運動量とエネルギー 📐

光子が電子と衝突するとき、全体で「エネルギー」と「運動量」の両方が保存される！

• 散乱された光子は、エネルギーの一部を電子に与えるため、元の光子よりも波長が長くなる。

4. 減弱係数 📉

光子（X線・γ線）が物質を通り抜けるときに、どれだけ減って弱まるか（どれだけ相互作用するか）を表すのが減弱係数

• 減弱の法則: $I = I_0 e^{-\mu x}$
  ($I_0$: 元の強さ、$I$: 通過後の強さ、$\mu$: 線減弱係数、$x$: 物質の厚さ)
• $\mu = \tau (\text{光電}) + \sigma (\text{コンプトン}) + \kappa (\text{電子対})$
  • $\tau$ : 光電効果の確率
  • $\sigma$ : コンプトン散乱の確率
  • $\kappa$ : 電子対生成の確率
  • 光子が起こす全ての相互作用の発生する確率を足し合わせたものが「減って弱る」の正体。
• 線減弱係数 ($\mu$): 単位厚さあたりの反応確率。
• 物質の密度に依存する。
• 質量減弱係数 ($\mu/\rho$): 線減弱係数を密度 $\rho$ で割ったもの。
• 物質の状態（氷・水・水蒸気）によらず一定なので、物理データとして非常に使いやすい！