Fotoninteracties

Fotoninteracties zijn processen waarbij fotonen wisselwerking hebben met materie of met elektromagnetische velden. Tijdens een interactie kan het foton van richting veranderen, in energie afnemen of toenemen, of volledig worden opgenomen. De kans op een specifieke interactie wordt uitgedrukt in kruissecties en hangt af van de fotonenergie, de samenstelling en de structuur van het materiaal.

Bij fotonen die met materie in botsing komen bestaan drie hoofdtypen van interactie: elastische processen zoals Rayleigh- en Thomson-scattering, waarbij de energie van het foton vrijwel behouden blijft en alleen de richting verandert; inelastische processen zoals het foto-elektrische effect (absorptie van het foton en uitstoting van een elektron) en het Compton-effect (gedeeltelijke energieoverdracht aan een elektron); en hogere-energieprocessen zoals paarproductie, waarbij een foton wordt omgezet in een elektron-positron paar in het veld van een kern, vanaf ongeveer 1,022 MeV. In veel materialen kan na excitatie ook luminescentie of fluorescente emissie volgen.

Naast deze hoofdprocessen bestaan niet-elastische en niet-lineaire interacties zoals Raman- en Brillouin-scattering (veroorzaakt door vibraties of akoestische golfvelden) en twee-fotonabsorptie (niet-lineaire optiek), die optreden bij sterke velden of bij specifieke materiaaleigenschappen.

De studie van fotoninteracties is van fundamenteel belang voor toepassingen in medische beeldvorming en stralingsbehandeling (röntgenstraling, CT, dosisberekening), de astronomie en de ontwikkeling van detectoren, scintillatoren en laserapparatuur. De waarschijnlijkheid van elk proces wordt beschreven door kruissecties, berekend in de kwantumelektrodynamica en afhankelijk van energie en materiaal.