Interacción de los Fotones con la Materia

1.      Absorción fotoeléctrica. 

El proceso que interesa que ocurra en el detector para poder conocer el espectro de emisión de los rayos gamma de la fuente es el efecto fotoeléctrico, ya que los fotones absorbidos por efecto fotoeléctrico depositan toda su energía en el detector. El fotón incidente entrega toda su energía a un electrón ligado a un átomo, liberándolo con una energía igual a la del fotón incidente menos la energía de ligadura atómica del electrón. El resto de procesos suponen un fondo de detección para energías menores o iguales que la del pico fotoeléctrico que hay que eliminar en la medida de lo posible para poder analizar el espectro.

   

Figura 1. Esquema asociado al Efecto Fotoeléctrico.

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2.             Efecto Compton. 

Cuando los fotones llegan al detector y sufren dispersión Compton, sólo dejan en el detector parte de su energía y son dispersado con un cierto ángulo,

Figura 1.Esquema del Scattering Compton.

 La probabilidad de dispersión viene dada por la fórmula de Klein-Nishina. De ella se obtiene la distribución de las energías cinéticas, T, de los electrones Compton, deducible de:

siendo re el radio clásico del electrón, .  

Esto da lugar a la ‘zona Compton’, que ocupa una amplia región del espectro, con energías inferiores a las del fotopico. La energía máxima que puede perder el fotón en una interacción Compton  es la correspondiente a una dispersión de θ = 180º (Borde Compton), de modo que se tiene este fondo Compton hasta dicho valor máximo de la energía. Haciendo el cálculo para un electrón libre el valor es:

 

Figura 2. Espectro teórico asociado al efecto Compton.

    Tras la dispersión, el fotón secundario puede bien escapar del detector sin más interacciones, bien ser absorbido por efecto fotoeléctrico o sufrir una nueva dispersión Compton. Estos dos últimos casos, más probables cuanto mayor sea el detector, alteran el perfil del fondo correspondiente a una interacción Compton, y permiten al fotón incidente perder más energía que la posible mediante un sólo proceso Compton, prolongando de este modo el fondo a valores mayores de la energía y deformando el perfil Compton (esto último no se ve en la gráfica mostrada a continuación):

       

                                                                          (a)                                                          (b)

Figura 3. (a) Espectro teórico y (b) real, asociados al Scattering Compton Múltiple.

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3.             Creación de pares.

 En este caso, la energía del fotón incidente (que tiene que ser superior a 1022 keV, para que este proceso tenga lugar) se emplea en generar un par electrón-positrón, que se reparten entre sí la energía del fotón incidente. 

Figura 1. Esquema del proceso de interacción de Pares.

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