Fotoelektromos abszorpció (fotoeffektus)
A RadiWiki wikiből
Fotoelektromos abszorpció akkor jön létre, ha a röntgen foton egy belső héj-elektronnal találkozik. Ez a kölcsönhatás akkor a legvalószínűbb, ha a beeső röntgen foton energiája egy kevéssel nagyobb a belső héj (K vagy L) elektron kötési energiájánál. Ez esetben a beeső foton az elektront kilöki az elektronhéjról és a foton energiáját teljes mértékben kilökött elektron kapja, azaz a röntgen foton elnyelődik. E folyamat eredménye egy ionizált atom, valamint az ionizáció során kilökött elektron lesz, mely elektront fotoelektronnak hívunk.
A fotoelektron kinetikus energiával rendelkezik, mely energia a beeső röntgen foton és a belső héj-elektron kötési energiájának különbsége:
Ef = Ehe + Eke ahol: Ef = beeső foton energiája, Ehe = belső héj-elektron kötési energiája, Eke = fotoelektron kinetikus energiája.
A fenti képletből is következik, hogy a beeső röntgen foton energiája nagyobb kell hogy legyen, mint a kötési energia. Mivel az emberi testben a legtöbb atom kis rendszámú, a K-héj elektronok kötési energiája alacsony, például a szén esetében ez 0,28, az oxigén esetén 0,53 keV. A diagnosztikai képalkotás szempontjából fontos atomok K-héj energiáit a táblázatban soroltuk fel. Az emberi testben létrejött fotoelektromos kölcsönhatások során a fotonenergia egy része a fotoelektron kinetikus energiájává alakul. A fotoelektron azonban nem jut túl messze, lágyrészekben általában 1-2 mm-en belül elnyelődik. A viszonylag közeli elnyelődés ellenére a röntgensugárzás okozta biológiai hatásokért ez a folyamat felelős.
Atom Rendszám K-héj kötési energia (KeV) Hidrogén 1 0,016 Szén 6 0,284 Oxigén 8 0,53 Alumínium 13 1,56 Kalcium 20 4,04 Molibdén 42 20,0 Jód 53 33,2 Bárium 56 37,4 Wolfram 74 69,5 Ólom 82 88,0
Fotoelektromos abszorpció során egy ionizált atom jön létre, és a belső elektron héjon kialakult lyukat a következő külső héjakról származó (L, M) vagy egy szabad elektron tölti be. Az esetek döntő többségében a külső héjról beugró elektron tölti be a lyukat, melynek következtében energia szabadul fel egy foton kibocsátásával, melyet karakterisztikus fotonnak vagy másodlagos sugárzásnak hívunk. Ez a másodlagos sugárzás tehát ugyanúgy keletkezik, mint a röntgensugárzás során a karakterisztikus sugárzás (elsődleges sugárzás). A fotoelektromos abszorpció során is kialakulhat a karakterisztikus kaszkád, de az ebben a folyamatban jelentkező fotonok energiája lényegesen alacsonyabb lesz, mint az anódban létrejövő karakterisztikus kaszkád esetén.
Ugyanakkor a kontrasztanyagként használt jód és bárium atomokban a másodlagos sugárzás energiája lényegesen magasabb lesz.
Összefoglalva: a fotoelektromos kölcsönhatást három alapvető szabály határozza meg:
1. a beeső röntgen foton energiája nagyobb kell, hogy legyen mint a belső héj elektron kötési energiája, pl.: egy 30 keV-os foton nem tudja a jód (33,2 keV) vagy a bárium (37,4 keV) K-héj elektronját elmozdítani.
2. A fotoelektromos kölcsönhatás annál valószínűbb, minél közelebb van egymáshoz a beeső röntgen foton és a belső héj elektron kötési energiája. Ez azt jelenti, hogy egy 40 keV-os foton nagyobb valószínűséggel lép fotoelektromos kölcsönhatásba a jód vagy bárium atommal, mint egy 100 keV-os foton. Ahogy a foton energia nő, a fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége jelentősen csökken. A foton energia és a kölcsönhatás valószínűsége fordítottan arányos a foton energiájának 3. hatványával (fotoelektromos hatás ~ 1/E3). A fotonenergia növelésével tehát a fotoelektromos kölcsönhatás esélye egyre kisebb, míg 50 kVp esetén a röntgen fotonok kölcsönhatása kb. 50%-ban a fotoelektromos abszorpció, addig 130 kVp esetén már csak 25%.
3. A fotoelektromos kölcsönhatás nagyobb kötési energia esetén gyakoribb. Az atomban nagyobb kötési energiát nagyobb rendszámú elemekben találunk és az elektron az atommaghoz minél közelebbi pályán helyezkedik el, annál nagyobb a kötési energiája. Alacsony rendszámú elemekben tehát a fotoeffektus csak a K-héj elektronokkal jön létre, de nagyobb rendszámú elemekben az L és M-héjak elektronjaival is lehetséges. A nagy rendszámú elemekben a röntgenfoton energiája gyakran nem is elegendő a K-héj elektronnal való interakcióra. A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége az atomszámmal egyenesen arányos, méghozzá annak 3. hatványával (fotoelektromos hatás valószínűsége ~ Z3). Az emberi szervezetben a csontok effektív rendszáma nagyobb, mint a lágyrészeké, ezért a fotoelektromos kölcsönhatás nagyobb valószínűséggel fordul elő a csontokban. Ez az oka annak, hogy a radiográfia különösen alkalmas csontos struktúrák leképezésére.
