Interaksi Radiasi Sinar Gamma
Meskipun sejumlah besar mekanisme interaksi yang mungkin diketahui untuk sinar gamma dengan materi, hanya tiga jenis utama yang memainkan peran penting dalam pengukuran radiasi: (1) Penyerapan Fotolistrik, (2) Hamburan Compton, dan (3) Produksi Pasangan. Semua proses ini mengarah ke parsial atau transfer lengkap energi foton sinar gamma menjadi elektron. Mereka menghasilkan perubahan mendadak dalam sejarah foton sinar gamma, dimana foton menghilang seluruhnya atau tersebar melalui sudut yang signifikan. Perilaku ini sangat kontras dengan partikel bermuatan, yang melambat secara bertahap melalui interaksi simultan yang berkelanjutan dengan banyak atom penyerap.
Mekanisme Interaksi (1) Penyerapan Fotolistrik. Dalam proses penyerapan fotolistrik, foton mengalami interaksi dengan atom penyerap dimana foton benar-benar hilang. Sebagai gantinya, energi fotoelektron dikeluarkan oleh atom dari salah satu kulit terikatnya. Interaksinya dengan atom secara keseluruhan dan tidak dapat berlangsung dengan electron bebas. Untuk sinar gamma dengan energi yang cukup, asal fotoelektron yang paling mungkin adalah kulit atom yang terikat paing rapat dengan kulit K. Fotoelektron muncul dengan energi yang diberikan oleh:
Ee⁻ = hv - Eb
Dimana Eb mewakili energi ikat fotoelektron di kulit aslinya. Untuk energi sinar gamma lebih dari beberapa ratus KeV, fotoelektron membawa sebagian besar energi foton asli.
Selain fotoelektron, interaksi juga menciptakan atom penyerap terionisasi dengan kekosongan di salah satu kulit terikatnya. Kekosongan tersebut dengan cepat diisi melalui penangkapan elektron bebas dari medium dan/atau penataan ulang elektron dari kulit atom lainnya. Oleh karena itu, satu atau lebih foton sinar-X karakteristik juga dapat dihasilkan. Meskipun dalam banyak kasus ini sinar-X diserap kembali dekat dengan lokasi aslinya melalui penyerapan fotolistrik yang melibatkan kulit yang terikat kurang rapat, migrasinya dan kemungkinan pelepasannya dari detektor radiasi dapat mempengaruhi responsnya. Dalam beberapa bagian kasus, emisi elektron Auger dapat menggantikan karakteristik sinar-X dalam membawa energi eksitasi atom.
Sebagai contoh kompleksitas interaksi ini, foton insiden dengan energi di atas 30 KeV yang mengalami penyerapan fotolistrik dalam Xenon. Sekitar 86 % berinteraksi melalui penyerapan kulit K dalam atom Xenon. Dari jumlah tersebut, 87.5% menghasilkan karakteristik kulit K (atau “fluoresen”) sinar-X (Campuran K-α dan K-β) dan12,5% de-eksitasi melalui emisi elektron Auger. Sisanya 14% dari foton insiden yang tidak mengalami interaksi kulit K diserap melalui interaksi fotolistrik dengan kulit L atau kulit M. Hal ini menghasilkan sinar-X karakteristik energi yang jauh lebih rendah dan atau elektron Auger yang jangkauannya sangat pendek.
Proses fotolistrik adalah jenis interaksi yang dominan untuk sinar gamma (atau sinar-X) dengan energi yang relative rendah. Proses tesebut juga ditingkatkan untuk bahan penyerap (material) dengan nomor atom tinggi.
Mekanisme Interaksi (2) Penyebaran Compton atau Hamburan Compton. Proses interaksi hamburan Compton terjadi antara insiden foton sinar gamma dan electron dalam bahan penyerap. Hal ini paling sering terjadi dan merupakan mekanisme interaksi dominan untuk energi sinar gamma yang khas dari sumber radioisotop.
Dalam hamburan Compton, foton sinar gamma yang masuk dibelokkan melalui sudut 0 sehubungan dengan arah aslinya. Foton mentransfer sebagian energinya ke electron (diasumsikan awalnya diam), yang kemudian dikenal sebagai electron lepas. Karena semua sudut hamburan dimungkinkan, energi yang ditransfer ke elektron dapat bervariasi dari nol hingga sebagian besar energi sinar gamma.
Gambaran yang menghubungkan transfer energi dan sudut hamburan untuk setiap interaksi yang diberikan dapat dengan mudah diturunkan dengan persamaan simultan untuk konservasi energi dan momentum. Menggunakan symbol yang didefinisikan dalam sketsa di bawah ini: