¿Por qué la sección eficaz de los fotones dispersos de Compton disminuye al aumentar la energía del fotón incidente?

Piense en lo que sucede a medida que aumenta la energía del fotón, comienza a alejarse de simplemente desalojar un electrón a un régimen de energía en el que la producción de pares se vuelve más predominante.

Como probablemente sepa, en la reacción de producción de pares, necesitamos un tercer cuerpo para la conservación del impulso. No en vano, ese cuerpo pesado es uno de los núcleos en la superficie del metal. Retrocede un poco, debido a su masa relativamente alta, por lo que deja la mayor parte de la energía del fotón incidente disponible para la producción de pares.

También podemos descubrir la producción de pares en la región de un electrón atómico, en lugar de libre, dentro del metal. Obviamente, en esta situación, se absorbe mucha más energía por los efectos de retroceso. De hecho, el corte normal resulta ser$4mc^2$.

Entonces, la sección transversal combinada requerida para la producción de pares es la suma de las secciones transversales asociadas con las dos vías de reacción anteriores. La sección transversal total de producción de pares es la suma de los dos componentes, nuclear y electrónico. Estas secciones transversales dependen de la energía del fotón entrante. A altas energías, aproximadamente iguales o superiores a 100 MeV, la producción de pares es el mecanismo dominante de interacción de la radiación con la materia.

Entonces, a medida que aumenta la energía incidente, comienza a ver menos efecto Compton y más producción de pares, la dispersión Compton sigue siendo un factor, a baja energía puede estar relacionado con el efecto fotoeléctrico y cuando aumenta la energía, compite con producción de parejas.

Efecto fotoeléctrico dependiente de la energía, dispersión Compton y producción de pares

Un buen ejemplo de esto es la energía fotónica incidente en el plomo. Por debajo de 0,1 MeV, encontramos que ocurren procesos fotoeléctricos casi en su totalidad, luego entre 0,1 MeV y 2,5 MeV podemos detectar tanto procesos fotoeléctricos como Compton y finalmente, a medida que el nivel de energía sube por encima de entre 2,5 MeV y 100 MeV, podemos observar ambos procesos Compton. dispersión y producción de pares.