محاضرة 7 فيزياء حديثة

تفاعل الالكترون والفوتون Photon-Electron Interaction: في الظواهر السابقة مثل الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة إنتاج أشعة اكس وظاهرة كمبتون وظاهرة إنتاج وتلاشي الجسيمات أن الفوتونات تتحول إلى جسيمات كالالكترونات أو العكس وهذه الظواهر جميعها تم تفسيرها على أساس اعتبار الشعاع الكهرومغناطيسي مكمم في شكل جسيمات تسمى الفوتونات لها طاقة وكمية حركة والشكل التالي يوضح الظواهر الخمسة السابقة…

  1                  2                    3                  4                  5

 (1) الظاهرة الكهروضوئية: اصطدام فوتون بالكترون مرتبط بسطح المعدن فتنتقل كامل طاقة الفوتون إلى الإلكترون المرتبط فيتحرر من سطح المعدن ويكتسب طاقة حركة.

(2) ظاهرة كمبتون: اصطدام فوتون بإلكترون حر فينتج فوتون بطاقة اقل (طول موجي اكبر) وينطلق الفوتون في اتجاه مختلف (يتشتت) أما الإلكترون فيكتسب طاقة حركة.

(3) ظاهرة إنتاج الجسيمات: يتلاشى فوتون ذو طاقة عالية بالقرب من نواة ذرة ثقيلة (عدد ذري كبير) وينتج عن ذلك إنتاج جسيمان هما الإلكترون والبوزترون (إلكترون موجب) لهما طاقة حركة إذا كانت طاقة الفوتون اكبر من طاقة تكوين الجسيمان.

(4) ظاهرة إنتاج أشعة اكس: انحراف إلكترون معجل بالقرب من نواة عنصر ثقيل يؤدي إلي تقليل طاقته وتنطلق هذه الطاقة في صورة فوتون أشعة اكس وينحرف الإلكترون عن مساره.

(5) ظاهرة تلاشي الجسيمات: يمكن لإلكترون اقتناص البوزترون ليندمجا وتتحرر طاقة يحملها فوتون.

امتصاص الفوتونات

عند سقوط شعاع كهرومغناطيسي على سطح مادي فإن عدد من الظواهر مثل الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كمبتون وظاهرة إنتاج الجسيمات تؤدي إلى امتصاص عدد من الفوتونات من الشعاع الساقط.  مما يؤدي إلى تقليل عدد الفوتونات التي ستنفذ من السطح والكمية الفيزيائية التي تعبر عن عدد الفوتونات الساقطة على سطح المادة أو النافذة من السطح تسمي الشدة Intensity.  وتعرف على انها طاقة الفوتونات لكل وحدة زمن التي تنفذ عبر وحدة المساحات عموديا على الشعاع الكهرومغناطيسي.

الجزء الأخير من المعادلة يسمى بالفيض الفوتوني photon flux N  ويمكن التعبير عن هذا التعريف رياضيا على النحو التالي:

I = (hf) N

عندما ينفذ شعاع كهرومغناطيسي من سطح سمكه x فإن الفيض الفوتوني N سيقل بعد نفاذ الشعاع من السطح نتيجة لامتصاص عدد من هذه الفوتونات داخل المادة.  عدد الفوتونات التي تمتص داخل المادة تعتمد على عدد الفوتونات الساقطة N وعلى سمك هذه المادة..  في الشكل ادناه اذا كان N هو عدد الفوتونات الساقطة على شريحة رقيقة سمكها dx وكان عدد الفوتونات النافذ من تلك الشريحة هو N-dN.  تكون العلاقة بين التغير في عدد الفوتونات وسمك المادة على النحو التالي:

  dN = – mNdx

 حيث m هو معامل الامتصاص absorption coefficient والإشارة السالبة تدل على إن عدد الفوتونات يقل كلما ازداد السمك..

وبإعادة ترتيب المعادلة والتكامل نحصل على..

N = N_oe^-mx

 بضرب طرفي العادلة في طاقة الفوتون hf نحصل على

I = I_oe^-mx

حيث أن I_o شدة الأشعة الساقطة على السطح و I شدة الأشعة النافذة من السطح.. والمعادلة تدلنا على أن شدة الأشعة الكهرومغناطيسية تتناقص بدالة آسية مع سمك المادة ومعدل التناقص يعتمد على معامل الامتصاص للمادة.

معامل الامتصاص يعتمد على طاقة الفوتون الساقط

في الشكل التالي نلاحظ نتائج تجربة عملية تم فيها استخدام نفس السمك من مادة الرصاص وتم تعريضها لأشعة اكس بنفس الشدة ولكن الحالة على اليمين كانت طاقة أشعة اكس قليل (λ=1Å) والحالة على اليمين لأشعة اكس ذات طاقة عالية (λ=0.1Å) فكانت النتيجة إن امتصاص الرصاص في الحالتين مختلف نتيجة لتغير طاقة أشعة اكس حيث يقل امتصاص المادة بزيادة طاقة الأشعة الساقطة.

 معامل الامتصاص يعتمد على نوع المادة

في الشكل التالي نلاحظ نتائج تجربة عملية تم فيها استخدام نفس الشدة والطاقة لأشعة كهرومغناطيسية لتسقط مرة على شريحة من الرصاص ومرة أخرى على شريحة من الألمنيوم وكانت النتيجة أن الرصاص يمتص الفوتونات أكثر من الألمنيوم وهذا يعني ان معامل امتصاص الرصاص اكبر من الألمنيوم ولهذا السبب يستخدم الرصاص في صناعة الجدران الواقية من الأشعة ذات الطاقات العالية مثل أشعة اكس وأشعة جاما..