Khi γ va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, γ biến mất và năng lƣợng của γ đƣợc truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này đƣợc gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận đƣợc động năng bằng hiệu số giữa năng lƣợng gamma tới và năng lƣợng liên kết của electron trên lớp vỏ trƣớc khi bị bứt ra, nghĩa là:
B
e E E
E . (2.15) Trong đó: Ee là động năng của quang điện tử.
E là năng lƣợng của lƣợng tử gamma.
20 (a) (b) γ e-- σph o to n EM EL EK E
Hình 2.6. (a) Hiệu ứng quang điện
(b) Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lƣợng gamma
Theo công thức (2.15) năng lƣợng của γ tới ít nhất phải bằng năng lƣợng liên kết của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Tƣơng tác này cho xác suất lớn nhất khi năng lƣợng γ vừa vƣợt qua năng lƣợng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp trong cùng (hình 2.6b)
Khi năng lƣợng tăng, xác suất tƣơng tác giảm dần theo hàm 13
E . Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo
k
E
E trong đó Ek là năng lƣợng liên kết của electron lớp K, tuân theo quy luật
2 7 1
E
còn khi E Ek theo quy luật
E
1
.
Do năng lƣợng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tƣơng tác quang điện phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5. Nhƣ vậy tiết diện hiệu ứng quang điện: photo 2 7 5 E Z khi EEk và photo E Z5 khi EEk.
Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lƣợng
21
cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lƣợng thấp.
Khi electron đƣợc bứt ra từ một lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì tại đó một lỗ trống đƣợc sinh ra. Sau đó lỗ trống này đƣợc một electron từ lớp vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trƣng.