Фотоэлектрический эффект представляет собой процесс, при котором фотон, взаимодействуя с веществом, полностью передаёт свою энергию электрону, связанному в атоме, что приводит к его выбиванию из атомной оболочки. Данный процесс является одним из основных механизмов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом в низкоэнергетическом диапазоне (до 100 кэВ), особенно важен при диагностике с применением рентгеновского излучения.
Физически явление можно описать следующим образом: фотон с энергией hν, где h — постоянная Планка, ν — частота, сталкивается с электроном, связанным в атоме, и если энергия фотона превышает работу выхода электрона W, то фотоэлектрон получает кинетическую энергию
Ek = hν − W.
Фотоэлектрон покидает атом с определённой кинетической энергией, оставляя после себя ионизированный атом. При этом на месте выбитого электрона возникает вакансийное состояние, которое в дальнейшем заполняется другим электроном с более высокого энергетического уровня, что сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения или вторичных электронов (авже-электронов).
Вероятность фотоэффекта зависит от следующих параметров:
Таким образом, фотоэффект наиболее выражен в веществах с высоким атомным номером (например, свинец, золото, йод, барий) и при низкоэнергетическом фотонном излучении (20–100 кэВ).
В области энергий 10–100 кэВ фотоэлектрический эффект играет доминирующую роль. Именно этот диапазон используется в диагностической радиологии, включая:
Так, кости и ткани, содержащие элементы с высоким Z (например, кальций), значительно поглощают излучение благодаря высокому фотоэффекту, в отличие от мягких тканей (вода, жир), где он выражен слабо. Это обеспечивает контрастность изображения.
Для повышения диагностической информативности применяются контрастные вещества, содержащие элементы с высоким атомным номером — йод (Z=53) или барий (Z=56). Эти вещества избирательно накапливаются в определённых тканях или полостях и существенно увеличивают вероятность фотоэффекта, обеспечивая выраженное поглощение рентгеновского излучения и, как следствие, повышение контрастности изображения.
Особенно это актуально при:
В медицинской физике фотоэффект является источником дозы, поглощённой тканями пациента. Энергия фотона полностью передаётся электрону, а затем — окружающей ткани в виде ионизаций и возбуждений. Это делает фотоэффект ключевым фактором при расчёте доз в низкоэнергетической радиодиагностике.
Важно учитывать, что из-за сильной зависимости от Z, распределение дозы может быть неравномерным, особенно в тканях, содержащих контрастные элементы или металлические импланты, где резко возрастает локальное поглощение излучения.
Выбивание электрона запускает цепь вторичных процессов:
Это усиливает радиобиологическое воздействие на микроструктуры тканей — ДНК, мембраны, ферментные системы, особенно при микрооблучении.
Принцип фотоэлектрического эффекта лежит в основе работы ряда детекторов ионизирующего излучения:
В них фотоэффект инициирует высвобождение зарядов (электронов), которые далее усиливаются, регистрируются и преобразуются в электрический сигнал.
Поскольку энергия фотона при фотоэффекте полностью переходит в ткань, процесс сопровождается локальным радиационным воздействием. Это требует строго контролируемых доз, особенно при:
Стандарты радиационной безопасности (МЭК, МАГАТЭ, ICRP) ориентированы на снижение доз при сохранении диагностического качества изображения. Разрабатываются алгоритмы автоматического контроля экспозиции (AEC), оптимизации дозовых режимов и выбор параметров сканирования в зависимости от возраста и массы тела пациента.
Фотоэффект формирует контраст, но одновременно может вызывать шум, особенно при низких дозах излучения. Увеличение поглощения (например, в костях или при использовании контрастов) приводит к улучшению визуализации структур, но также увеличивает дозу. Баланс между качеством изображения и радиационной безопасностью — одна из главных задач медицинской физики.
Фотоэффект характеризуется энергетическими порогами, соответствующими связывающим энергиям электронов на оболочках. Наиболее выражен К-скачок — резкое увеличение вероятности эффекта при достижении энергии фотона уровня K-оболочки.
Эти скачки активно используются при подборе энергий излучения в диагностике:
Хотя фотоэффект не играет доминирующей роли в лучевой терапии (где преобладает комптоновское рассеяние и образование пар), в брахитерапии с низкоэнергетическими источниками (например, ^125I, ^103Pd, 20–30 кэВ) фотоэффект становится определяющим фактором взаимодействия. Это используется для локализованного лечения опухолей с минимальным повреждением окружающих тканей.
Также данный механизм играет роль в новых направлениях, таких как селективная радиационная терапия с элементами высокой Z (например, золото, гадолиний), усиливающими локальное поглощение излучения опухолью при фотоэффекте.
Фотоэлектрический эффект остаётся одним из краеугольных явлений в медицинской физике, определяя эффективность рентгенодиагностики, безопасность пациентов и функциональность детектирующих систем. Его изучение необходимо для понимания взаимодействия излучения с тканями, расчёта доз, оптимизации методов визуализации и разработки новых подходов к терапии.