Лекция № 10 Взаимодействие гамма-излучения с веществом При

Лекция № 10 Взаимодействие гамма-излучения с веществом При прохождении гамма-излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка гамма -квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества. В области энергий от 1 кэ. В до 10 Мэ. В наиболее существенное значение имеют следующие виды взаимодействия: • Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект); • комптоновское рассеяние или комптон-эффект; • эффект образование пары электрон-позитрон

• Фотоэффект. Если энергия гамма 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 Eе

Где -ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; - энергия отдачи ядра; - энергия гамма-кванта Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона определится соотношением:

• Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может происходить на свободном электроне, т. к. законы сохранения импульса и энергии в случае фотоэффекта на свободном электроне оказываются несовместимыми. Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т. е. на Kоболочке.

• Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято менее связанным электроном с более высокой оболочки, и при этом выделяется энергия в виде характеристического излучения, которое в свою очередь может вызвать внутренний фотоэффект внешних валентных электронов и вырвать их из атома. Электрон, освобожденный из атома, таким образом, называется электроном Оже, а явление — эффектом Оже.

• Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения при энергии фотонов ниже 0, 5 Мэ. В для тяжелых атомов и ниже 0, 05 Мэ. В для легких. Например, фотоэффект на атомах свинца происходит при энергии фотона ниже 600 кэ. В, а на атомах алюминия ниже 60 кэ. В.

• Комптон-эффект — это упругое столкновение фотонов с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается. Отраженный фотон называется вторичным или рассеянным. Комптоновское рассеяние может происходить на свободных либо на слабо связанных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия фотонов во много раз превышает энергию связи электрона. В отличие от фотоэффекта комптоновское рассеяние не приводит к полному поглощению гамма-кванта.

В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией появляется рассеянный фотон с энергией , а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию

• схема рассеяния гамма-квантов на электроне

Вероятность процесса комптоновского рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в единице объема вещества, т. е. пропорционально Z. Вероятность комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии фотонов. Для веществ с малым и средним процесс комптоновского рассеяния является преобладающим для фотонов с энергией более 200 кэ. В. В области энергии фотонов около 1 Мэ. В комптоновское рассеяние для большинства материалов не зависимо от Z является основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом.

• Эффект образования пары - это такое взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и в кинетическую энергию электрона и позитрона. Такое взаимодействие может происходить при энергии фотона не меньше 1, 022 Мэ. В и только в поле ядра. Одиночный квант любой энергии не может в вакууме превратиться в электронпозитронную пару, так как при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса.

Эффект образования пары E =h >1, 022 Мэ. В 2*E =0, 511 Мэ. В e- e+ Электрон-позитронная пара Аннигиляция

• Если энергия фотона больше 1, 02 Мэ. В, то избыточная энергия уносится электроном и позитроном в виде кинетической энергии. Электрон и позитрон быстро замедляются в веществе. И после потери кинетической энергии позитрон соединяется с электронном в аннигиляционном процессе, в результате которого высвобождаются два гамма-кванта с энергиями по 511 кэ. В.

• Сечение эффекта образования пар пропорционально квадрату атомного номера и растет прямо пропорционально энергии. Из этого следует, что поглощение фотонного излучения в результате образования пар наблюдается в основном на атомах тяжелых элементов и не имеет практического значения для легких ядер. Начиная с энергии 10 Мэ. В основное поглощение γ-квантов происходит за счет эффекта образования пар.

Итак. Комптон-эффект играет основную роль в ослаблении интенсивности гамма -излучения в алюминии при 60 кэ. В < < 15 Мэ. В и в свинце при 0. 7 Мэ. В < < 5 Мэ. В. Фотоэлектрическое поглощение в алюминии наиболее существенно при < 50 кэ. В и в свинце при < 0. 5 Мэ. В. Образование пар доминирует над этими двумя процессами при больших энергиях гамма-квантов: в алюминии при > 15 Мэ. В и в свинце при Е > 6 Мэ. В.

Относительная роль трех эффектов поглощения фотонов а –область преобладания фотоэлектрического эффекта; б – область преобладания комптоновского эффек в – область преобладания эффекта образования п

Ослабление гамма-излучения в веществе Закон ослабления параллельного моноэнергетического пучка γ-квантов в веществе имеет вид: линейный коэффициент ослабления, который зависит от плотности вещества, его порядкового номера и энергии γ-квантов. На практике часто используют массовый коэффициент ослабления, измеряемый в

Коэффициент ослабления I 0 L I l

• Для практических расчетов наиболее удобно пользоваться слоем половинного ослабления , т. е. слоем, при прохождении которого интенсивность излучения снижается наполовину. Слой половинного ослабления может быть выражен через линейный коэффициент ослабления: