광전흡수와 방사선 사진영상
방사선 진단에서 X선의 흡수는 광전효과에 의한 X선의 흡수(광전흡수)에 의해 일어난다. > 광전효과(Photoelectric effect) >>
광전효과의 발생확률은 물질(피사체)의 원자번호의 세제곱에 비례하기 때문에, 조직 간 원자번호의 작은 차이에도 광전흡수의 차이는 매우 커진다. 조직간 광전흡수 차이는 구성 물질의 원자번호 외에도 피사체의 밀도와 두께 차이에 따라 달라진다.
광전효과의 발생 확률 ∝ (X선 광자의 에너지)-3(원자번호)3
X선 방사선 사진 영상의 대조도는 조직간 X선 흡수 차이에 의해 형성되는 것이므로, 조직간 흡수차가 클수록 대조도가 증가한다. 따라서 조직간 광전흡수의 차이는 인체 부위별 X선 투과의 차이(피사체 대조도)로 나타나며 이는 방사선사진의 대조도를 향상시킨다.
정리하면, 광전흡수는 X선 광자의 에너지가 궤도전자(특히 K-각)의 결합에너지보다 크지만 거의 비슷할 때, 그리고 전자의 결합에너지가 클수록 잘 발생하고, 이때 X선 광자는 소실되면서 전자의 결합에너지보다 큰 여분의 에너지는 광전자(photoelectron)로 전달된다.
이러한 광전효과에 의한 광전자 방출과 함께, 외각전자의 전이(천위)에 의해 특성 X선(특성 방사선)이 발생한다.
실제 인체에서는 조직을 구성하는 원자(수소, 산소, 칼슘, 철)의 K-각 전자에너지가 매우 낮기 때문에 광전효과는 X선의 에너지가 낮을 때 잘 발생하고, 이에 의해 발생된 특성X선(특성방사선)은 멀리 진행하지 못하고 모두 물질 속으로 흡수되므로 산란선을 만들지 않고, 피사체 대조도를 향상시키는 데 기여한다.
이처럼, 광전효과는 입사광자의 에너지가 궤도전자에 모두 흡수되는 과정이므로 산란선이 발생하지 않아 피사체 대조도에 유리하나, 환자가 받는 선량은 다른 상호작용에 비해 높다. 광전효과가 입사 광자의 에너지의 세제곱에 반비례한다는 것은 광자의 에너지를 조금 높이면 광전흡수가 급격히 감소한다는 것을 의미한다.
따라서 환자의 피폭선량을 최소화하기 위해 X선의 에너지를 높이는 고관전압 기법이 권고되나, 고관전압은 광전흡수가 줄어드는 만큼 콤프톤 산란이 증가하여 산란선(산란광자)가 화질을 떨어뜨리는 문제점이 있다.