اندرکنش پرتوی الکترونی و مواد

پرتوهای الکترونی معمولا حاوی الکترون هایی با کیلوالکترون ولت 50-10 انرژی هستند که هنگام برخورد با ماده، رفتار های متفاوتی را از خود نشان می دهند. عمده ترین واکنش متقابل الکترون های پر انرژی و الکترون های نمونه، ناشی از تفرق آن ها می باشد. انواع تفرق پرتوی الکترونی ورودی عبارتند از:

1- تفرق الاستیک: تغییر جهت حرکت پرتوی الکترونی ضمن از دست دادن مقدار کمی انرژی. تفرق الاستیک عمدتا در برخورد پرتوی الکترونی ورودی با هسته اتم رخ می دهد و باعث انحراف قابل توجهی در مسیر پرتوی الکترونی ورودی به ماده می شود. 

2- تفرق غیر الاستیک: در این حالت از دست دادن انرژی و تغییر کم در جهت حرکت پرتوالکترونی رخ می دهد. تفرق غیر الاستیک در دو مکانیزم اتفاق می افتد: اولی تفرق غیر الاستیک در برخورد با الکترون های اتم ماده و دومی تفرق غیر الاستیک در برخورد با هسته اتم.

در اثر برخورد الاستیک الکترون های پرتوی الکترونی ورودی با الکترون های اتم ماده، جهت حرکت آن ها تغییر نموده و امکان برخوردهای بعدی فراهم می شود. اگر پرتوی الکترونی ورودی به صورت غیر الاستیک در برخورد با الکترون های لایه خارجی متفرق شود، انرژی پرتو ورودی انتقال پیدا کرده و الکترون اتم ماده تهییج شده و از لایه الکترونی خارج می شود. انرژی الکترون خارج شده از اتم که به آن الکترون ثانویه می گویند، معمولا حدود 50 الکترون ولت است. اگر عمق ایجاد الکترون ثانویه کمتر از 10 نانومتر باشد، با توجه به این که انرژی سطح جامدات حدود 2 تا 6 الکترون ولت است، امکان خروج آن ها به عنوان پرتوی الکترون های ثانویه از سطح نمونه وجود خواهد داشت. اما اگر، الکترون های ثانویه در عمقی بیش از 10 نانومتر از سطح نمونه ایجاد شده باشند، با توجه به برخوردهای بی نهایتی که ممکن است در راه رسیدن به سطح، با الکترون ها و هسته اتم ها داشته باشند، شانس کمی برای خروج از سطح خواهند داشت. اگر یک الکترون ثانویه در راه رساندن خود به سطح بر حسب اتفاق در جای خالی یک الکترون ثانویه دیگر بیفتد،  یک فوتون با طول موج در حدود نور قابل رویت یا نزدیک به مادون قرمز تولید خواهد شد.

یکی دیگر از نتایج و آثار تفرق غیر الاستیک پرتوی الکترونی و الکترون های ماده، تولید الگوی پرتو ایکس مشخصه است. میزان انرژی از دست رفته پرتوی الکترونی ورودی در برخورد غیر الاستیک با الکترون های اتم می تواند برابر با انرژی پیوند لایه های K، L و M باشد و منجر به خروج الکترون لایه های مذکور و تابش اشعه x مشخصه شود. هم چنین امکان خروج یک الکترون و فرآیند آرامش اتم، منجر به خروج نوعی الکترون شود که به آن ها الکترون های اوژه گفته می شود.                    

با تفرق الاستیک شدید یک پرتوی الکترونی در برخورد با هسته اتم، امکان تغییر جهت بیش از 90 درجه در مسیر الکترونی وجود دارد. چنین تغییر جهتی می تواند امکان بازگشت پرتو به سمت سطح را فراهم سازد. به این الکترون ها، الکترون های برگشتی می گویند. لازم به توضیح است که تغییر زاویه در تفرق الاستیک پرتوی الکترونی در برخورد با هسته اتم های سنگین، بیشتر از اتم های سبک است. با توجه به تغییر زاویه کمتر پرتوی الکترونی در تفرق الاستیک با هسته سبک تر، احتمال (یا فراوانی) خروج الکترون های برگشتی از مواد دارای عدد اتمی کمتر، کاهش می یابد. به بیان دیگر در اتم های با عدد اتمی کمتر قبل از اینکه پرتوی الکترونی با زوایای بیش از 90 درجه متفرق شود و فرصت بازگشت بیابد، به اعماق ماده نفوذ نموده و بخش عمده ای از آن جذب می شود. اما در اتم های با عدد اتمی بیشتر، امکان تغییر زاویه بیش از 90 درجه، بیشتر است. در این شرایط، مقدار الکترون های برگشتی بسیار بیشتر از زمانی است که پرتو الکترونی با یک هسته سبک، به صورت الاستیک برخورد می کند.

مقدار الکترون های برگشتی خارج شده از یک ماده به شدت متاثر از عدد اتمی ماده ای است که پرتوی الکترونی به آن وارد شده است. حال اگر پرتوی الکترونی ورودی با هسته اتم ماده برخورد کند و به صورت غیر الاستیک متفرق شود، منجر به ساطع شدن اشعه X پیوسته می گردد. تفرق غیر الاستیک پرتوی الکترونی با هسته اتم ماده معمولا منجر به تغییر زاویه بسیار کمی (حدود 0.01 رادیان) نسبت به تفرق الاستیک می شود، البته تغییر زاویه در تفرق الاستیک پرتوی الکترونی در برخورد با هسته اتم های سبک، کمتر از اتم های سنگین است.

با توجه به از دست رفتن انرژی در تفرق غیر الاستیک پرتوی الکترونی ورودی در برخورد با الکترون های اتم، احتمال خروج الکترون های ثانویه، از عمق حداکثر 10 نانومتر وجود دارد. از سوی دیگر، در تفرق الاستیک پرتوی الکترونی ورودی با هسته اتم، مقدار از دست رفتن انرژی بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است. بنابراین می توان احتمال خروج الکترون های بازگشتی از عمق 2 میکرومتر را متصور شد. البته در هر دو مورد میزان ساطع شدن الکترون های ثانویه و برگشتی، متاثر از انرژی پرتوی الکترونی ورودی و نوع ماده است.