關於X光與物質交互作用的敘述，下列何者最適當？

本題觀念：

本題探討 X 光（游離輻射光子）與物質的交互作用（Interaction of X-ray with matter）。在放射物理學中，游離輻射光子與物質碰撞時，主要的作用機制有五種：合調散射（Coherent scattering）、光電效應（Photoelectric effect）、康普吞效應（Compton effect）、成對發生（Pair production）與光分解（Photodisintegration）。這些交互作用的發生機率與「入射光子的能量（Energy）」以及「吸收物質的原子序（Atomic number, Z）」息息相關。

選項分析

• (A) 合調散射常發生在高能量光子，僅改變 X光的行進方向，但不會改變其能量
  • 錯誤：合調散射（Coherent scattering，又稱古典散射或 Rayleigh scattering）主要發生在極低能量光子（通常小於 10 keV）與物質作用時。此時光子受原子核外層電子的電磁場影響，僅改變行進方向而不損失能量。選項敘述「常發生在高能量光子」與物理事實相反。
• (B) 康普吞效應容易發生在 X光與外層軌域電子的作用
  • 正確：康普吞效應（Compton effect）是入射光子與原子的外層軌域電子（或稱自由電子，其束縛能極低）發生的非彈性碰撞。光子將部分能量轉移給電子使其游離（稱為康普吞電子），而光子本身能量降低並改變方向散射出去。這是游離輻射在一般診斷與多數放射治療能量範圍內最常見的作用機制。
• (C) 成對發生會產生互毀輻射，但作用能量範圍要低於1.02 MeV 以下，發生機率才會增加
  • 錯誤：成對發生（Pair production）的絕對條件是入射光子能量必須大於 1.022 MeV（即兩倍的電子靜止質量：$2 \times 0.511 \text{ MeV}$）。當光子能量超過此「低限能量（Threshold energy）」時，受原子核力場影響，光子才會轉換成一對正子與電子。發生機率是隨著能量大於 1.022 MeV 後增加，選項敘述「低於 1.02 MeV 以下」是完全顛倒的。
• (D) 光分解是當作用能量大於約 10 keV時，直接被原子核吸收，把原子核提升到激發態，瞬間釋放出核子或其 他的核子碎片
  • 錯誤：光分解（Photodisintegration，或稱光蛻變）發生在極高能量範圍，入射光子的能量必須大於約 10 MeV（百萬電子伏特，而非 keV）。在超過 10 MeV 的高能狀態下，光子避開與核外電子的作用，直接被原子核吸收，使原子核不穩定並釋放核子（如中子或質子）。10 keV 的能量太低，不可能引發光分解作用。

答案解析

綜合以上分析：

• (A) 錯在合調散射發生於「低能量」。
• (C) 錯在成對發生能量必須「大於 1.02 MeV」。
• (D) 錯在光分解能量必須「大於 10 MeV」。
• (B) 完全正確點出康普吞效應是光子與束縛能極小的「外層軌域電子」交互作用，故為最適當的答案。

核心知識點

放射師國考必考「光子與物質的五大作用機制」，考生務必熟記各機制的發生能量範圍、作用對象與機率公式：

1. 合調散射 (Coherent scattering)：發生在極低能量（$< 10 \text{ keV}$），光子與整個原子作用，改變行進方向，無能量轉移（無游離發生）。
2. 光電效應 (Photoelectric effect)：發生在低、中能量（一般診斷 X 光能量範圍內常見），光子與內層軌域電子作用，光子能量被完全吸收。發生機率與 $Z^3$ 成正比，與 $E^3$ 成反比。
3. 康普吞效應 (Compton effect)：發生在中、高能量，光子與外層軌域電子作用。產生散射光子與散射電子。發生機率與物質的「電子密度」成正比，與原子序 ($Z$) 無關。
4. 成對發生 (Pair production)：低限能量為 1.022 MeV，光子與原子核強核力場作用，轉換為正子與電子，正子耗能後與電子結合產生互毀輻射（Annihilation radiation, 放出兩個 $0.511 \text{ MeV}$ 光子）。機率與 $Z^2$ 成正比。
5. 光分解/光蛻變 (Photodisintegration)：低限能量約為 10 MeV，高能光子直接被原子核吸收，造成原子核激發並釋放出核子（如中子）。

參考資料

1. 行政院原子能委員會 104 年度第 2 次「輻射防護師」測驗試題解答 (https://www.nusc.gov.tw)
2. 輻射物理學基礎：光子與物質的交互作用 (Medical Physics - X-Ray Interaction With Matter)