Wechselwirkung Röntgenstrahlung mit Materie

Bei der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie redet man von zwei Verschiedenen Streu Effekten (Klassische Streung und Compton Streuung) sowie zwei verschiedenen Absorptions Effekten (Photoeffekt und Paarbildung).

Für die Röntgenstrahlung sind jedoch nur der compton Effekt sowie der Photoeffekt relevant.

Beim Photoeffekt trifft ein Photon ein Elektron und gibt seine gesamte Energie an das Elektron ab. Das Elektron verlässt den Atomverbund und verliert damit seine Atombindung. Das Atom wird ionisiert und das Photon wird absorbiert. Also handelt es sich hierbei um eine Absorption.

Photonen, die auf Materie treffen, lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Folgenden sind für verschiedene Prozesse die Energiebereiche angegeben, in denen sie relevant sind:

• unter 1 eV Anregung höherer energetischer Zustände von Elektronen, keine Ionisation
• 1 eV bis 100 keV Photoeffekt,
• 50 keV bis 1 MeV Compton-Effekt,
• 1,022 bis 6 MeV Paarbildung,
• 2,18 bis 16 MeV Kernphotoeffekt.
• höhere Energien: Photodesintegration

Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Der entscheidende Streeungseffekt für die Röntgenstrahlung ist die Compton-Streuung. Hierbei trifft ein ein Photon ein Elektron und gibt etwas Energie an das Elektron ab. Die Energie ist jedoch hoch genug das das Elektron den Atomverbund verlässt. Das Atom wird also ionisiert. Das Photon wird geschwächt abgelenkt und somit gestreut. Am ehesten tritt dieser Effekt mit einem Elektron auf der äußersten Schale auf.
Beim inversen Compton-Effekt streut ein hochenergetisches Elektron (oder ein anderes geladenes Teilchen, etwa ein Proton) an einem niederenergetischen Photon und überträgt Energie auf das Photon. Der inverse Compton-Effekt tritt in Teilchenbeschleunigern auf und kann in der Astrophysik bei Ausströmungen in den Koronen von Akkretionsscheiben aktiver Galaxienkerne und bei Supernovae beobachtet werden (siehe auch Sunjajew-Seldowitsch-Effekt). Inverse Compton-Streuung an der Hintergrundstrahlung beschränkt die Maximalenergie von Protonen in der kosmischen Strahlung (siehe auch GZK-Cutoff).

Unter Paarbildung, auch Paarerzeugung, versteht man in der Teilchenphysik die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares.

Im engeren Sinn ist die – historisch zuerst bekannte – Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem energiereichen Photon gemeint. Heute sind jedoch beispielsweise auch die Bildung von Myon-Antimyon- oder Proton-Antiproton-Paaren bekannt.

In jedem Fall muss die verfügbare Energie mindestens gleich der Summe der Ruheenergien der zu erzeugenden Teilchen sein, damit der Vorgang auftritt.

Den entgegengesetzten Prozess, bei dem ein Teilchen-Antiteilchen-Paar vernichtet wird, nennt man Annihilation.