Hiện tượng hấp thụ quang điện xảy ra do tương tác giữa photon với một trong những electron liên kết trong một nguyên tử.
Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi năng lượng tia gamma tới lớn hơn năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử.
Năng lượng giật lùi của hạt nhân xem như không đáng kể, do đó động năng của electron:
E =hv0 - Ei (2.1) Với I = K, L, M…
hv0: năng lượng photon tới
Ei: năng lượng liên kết của electron tầng i
Tiết diện của hiệu ứng quang điện phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của tia gamma tới và điện tích Z của hạt nhân môi trường. Đối với những vật liệu nặng (Z lớn) thì xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện lớn ngay cả với những tia gamma có năng lượng cao. Đối với những vật liệu nhẹ thì hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa
∝. Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế trong tương tác của photon với vật chất ở vùng năng lượng tương đối thấp. Quá trình này cũng được nâng cao với các vật chất hấp thụ có Z lớn. Xác suất để một photon chịu hấp thụ quang điện có thể được biểu diễn qua tiết diện hấp thụ quang điện:
phot
σ ∝ n m
γ
Z /E (2.2)
Ở đây n và m nằm trong dãy từ 3 đến 5 tùy thuộc vào năng lượng của tia gamma. Trong hầu hết các đầu dò, các electron quang điện bị mất động năng nhanh chóng trong thể tích hoạt động của đầu dò, và đầu dò sẽ tạo ra một xung có biên độ tỉ lệ với năng lượng electron quang điện bị mất.
Bên cạnh việc tạo ra electron quang điện, tương tác này còn tạo ra các lỗ trống ở những tầng liên kết của nguyên tử. Lỗ trống này nhanh chóng được lấp đầy bằng cách bắt một electron tự do trong môi trường hay tạo chuyển dời từ 1 electron ở tầng khác trong nguyên tử. Từ đó một hay nhiều tia X đặc trưng sẽ được tạo ra. Trong hầu hết các trường hợp, các tia X này sẽ bị hấp thụ trở lại thông qua hiện tượng hấp thụ quang điện. Trong một vài trường hợp, sự phát electron Auger sẽ thay cho các tia X đặc trưng.
Đối với đầu dò có thể tích nhỏ, các tia X có thể thoát ra khỏi đầu dò tạo nên các đỉnh thoát trên phổ, các đỉnh này sẽ nằm trước đỉnh năng lượng toàn phần và cách đỉnh năng lượng toàn phần một khoảng bằng chính năng lượng của tia X đó.