Взаимодействие гамма-квантов с веществом.

К γ-излучению относят электромагнитные волны, испускаемые при ядерных превращениях или аннигиляции частиц. В квантовой теории это излучение представляет собой поток частиц, называемых γ-квантами. Нижний предел энергии γ-квантов имеет порядок десятков килоэлектронвольт (кэВ). Естественного верхнего предела энергии нет.

В основе поглощения g-излучения веществом лежит электромагнитное взаимодействие.

При прохождении пучка γ-квантов через вещество они вступают во взаимодействие с атомами и вызывают ряд явлений, при этом γ-квант или поглощается целиком, или теряет часть своей энергии, изменяя направление распространения. Реализация того или иного механизма взаимодействия g-квантов с веществом носит вероятностный характер и зависит как от свойств самого g-излучения (его энергии), так и от свойств вещества (например, его плотности и элементного состава).

Известно большое число различных взаимодействий γ-излучения с веществом. Практический же интерес представляют следующие три процесса: фотоэлектрическое поглощение γ-кванта (фотоэффект), рассеяние γ-кванта на электронах (комптон-эффект) и рождение γ-квантом электрон-позитронных пар (эффект образования пар).

Фотоэффект. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона E_е:

E_е = E_γ - I_i - E_n,

где I_i − ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; E_n − энергия отдачи ядра, E_γ − энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона определится соотношением E_е = E_γ − I_i, где i = K, L, M,... − индекс электронной оболочки. Зависимость сечения фотоэффекта от атомного номера Z вещества поглотителя сильное: σ_ph ~ Z⁵. Фотоэффект является главным процессом, ответственным за поглощение -квантов в области малых энергий. В области энергий E_γ< 0.5 МэВ величина эффективного сечения фотоэффекта очень резко спадает с ростом энергии гамма-квантов: .

Комптон-эффект − это рассеяние -квантов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия -квантов во много раз превышает энергию связи электрона. В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией E_γ появляется рассеянный фотон с энергией E'_γ< E_γ, а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию E_е = E_γ − E'_γ. На рис. 11 показана схема рассеяния γ-квантов на электроне. Пользуясь законами сохранения импульса и энергии можно записать

γ= 'γ+ e,meс^2 + Eγ = E'γ + Eе,

где m_ec² = 0.511 МэВ − энергия покоя электрона, E_e − полная энергия электрона, E_γ и E'_γ − энергии падающего и рассеянного -квантов. Можно показать, что изменение длины волны γ-кванта при комптоновском рассеянии дается выражением

λ'−λ=λ0(1 − cos ),

где λ'и λ − длины волн первичного и рассеянного -кванта; λ₀ = h/m_ec − комптоновская длина волны электрона; - угол между направлениями импульсов _γи '_γ падающего и рассеянного
γ-квантов.
Изменение длины волны при комптоновском рассеянии не зависит от λ и определяется лишь углом рассеяния γ-кванта. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

.

Эффективное сечение комптоновского рассеяния, рассчитанное на один атом σ_1C , пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) Z. Поэтому σ_1C = Z·σ_C.

Образование пары электрон–позитрон. Можно показать, что одиночный квант любой энергии не может в вакууме превратиться в электрон-позитронную пару, так как при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса. Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса.
Образование пар в поле ядра может иметь место, если энергия кванта удовлетворяет соотношению

E_γ > 2m_ec² + E_я,

где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон-позитрон, а второй − энергия отдачи ядра. Так как энергия отдачи ядра сравнительно мала, то энергия, определяемая первым членом, является порогом рождения пар (2m_eс² 1.022 МэВ). В основном образование е⁺е⁻-пар происходит в кулоновском поле ядер атомов и эффективное сечение этого процесса пропорционально квадрату заряда ядра Z², т.е. σ_np ~ Z².
Порог рождения пар в поле электрона равен 4m_eс². Это связано с тем, что энергию отдачи получает электрон, имеющий малую массу, и пренебречь ею уже нельзя. Образование пар в поле электрона характеризуется сравнительно малым сечением.

Дата добавления: 2015-07-15