115年:放射診斷(2)
有關X 光與物質的作用，下列敘述何者正確？
A光電效應最容易發生在外層電子
B康普吞（Compton）效應最容易發生在內層電子
C產生成對效應之光子能量須大於0.51 MeV
D一般診斷影像之散射線來源主要是康普吞（Compton）效應
詳細解析
本題觀念
X 光進入人體後，可能被光電效應完全吸收，也可能經由 Compton 散射改變方向與能量，另有機會發生相干散射或在足夠高能量下產生成對。判斷這類題目時，先抓住交互作用的對象：光電效應主要牽涉束縛能較高的內層電子，Compton 效應則主要牽涉束縛較弱、可近似看成自由電子的外層電子。
診斷 X 光能量通常落在光電吸收與 Compton 散射都可能出現的範圍，但一般診斷影像中的散射線主要來自 Compton 效應。成對產生需要的能量更高，至少要同時提供電子與正電子的靜止能量，也就是 2mₑc² = 1.022 MeV；0.511 MeV 只相當於一個電子或正電子的靜止能量。
選項分析
- A：光電效應最容易發生在外層電子。錯誤。 光電效應是入射光子將能量幾乎全部交給原子中的電子，使電子脫離原子。較典型的作用對象是內層電子；內層空缺再由外層電子填補時，可能放出特性 X 光或俄傑電子。
- B：Compton 效應最容易發生在內層電子。錯誤。 Compton 散射是入射光子與鬆束縛電子發生非彈性碰撞，光子將部分能量與動量傳給反沖電子，自己以較低能量及不同方向離開。外層電子較接近自由電子，較符合此作用模型；內層電子的束縛能較高，並非最典型的作用對象。
- C：產生成對效應之光子能量須大於 0.51 MeV。錯誤。 成對產生不是只形成一個帶電粒子，而是在原子核附近由高能光子轉換成電子與正電子。最低能量必須支付兩個粒子的靜止能量，門檻為 1.022 MeV；0.51 MeV 不足以同時完成這項轉換。
- D：一般診斷影像之散射線來源主要是 Compton 效應。正確。 診斷範圍的 X 光與組織中電子作用時，Compton 散射會產生方向改變、能量降低的散射光子。這些光子可能抵達影像接收器，造成影像對比下降，因此是一般診斷影像散射線的主要來源。
答案解析
四個敘述的關鍵錯誤分別在電子位置與能量門檻。光電效應偏向內層電子；Compton 散射偏向外層或近似自由電子；成對產生的最低能量是 1.022 MeV，不是單一粒子的 0.511 MeV。一般診斷 X 光遠低於成對產生所需能量，所以不會以成對產生作為診斷影像散射的主要機制。診斷範圍中，造成散射線的主要交互作用是 Compton 效應，故依官方答案選 D。
核心知識點
- 光電效應：光子被完全吸收，主要作用於內層電子；和影像對比及骨骼、碘等高原子序物質的吸收有關。
- Compton 散射：光子與外層或近似自由電子非彈性碰撞，產生反沖電子與散射光子；是診斷影像散射的重要來源。
- 成對產生：光子在原子核附近轉換為電子與正電子，能量門檻為 1.022 MeV。
- 散射光子會增加影像接收器收到的非有用訊號，使影像對比下降；準直與防散射措施可降低其影響。