Лекция №10 Взаимодействие гамма-излучения с веществом

вещество происходит ослабление интенсивности пучка гамма -квантов, что является результатом

их взаимодействия с атомами вещества. В области энергий от 1 кэВ до 10 МэВ наиболее существенное значение имеют следующие виды взаимодействия:
Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект);
комптоновское рассеяние или комптон-эффект;
эффект образование пары электрон-позитрон

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

выбивается электрон;
- энергия отдачи ядра;

- энергия гамма-кванта
Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона определится соотношением:

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 K-оболочке.

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.

ниже 0,5 МэВ для тяжелых атомов и ниже 0,05 МэВ

для легких. Например, фотоэффект на атомах свинца происходит при энергии фотона ниже 600 кэВ, а на атомах алюминия ниже 60 кэВ.

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.

фотон с энергией , а электрон, на

котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию

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 кэВ. В области энергии фотонов около 1 МэВ комптоновское рассеяние для большинства материалов не зависимо от Z является основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом.

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 МэВ и только в поле ядра.
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.

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 кэВ.

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 МэВ основное поглощение γ-квантов происходит за счет эффекта образования пар.

-излучения в алюминии при 60 кэВ <

< 15 МэВ
и в свинце при 0.7 МэВ < < 5 МэВ.    
Фотоэлектрическое поглощение в алюминии наиболее существенно при < 50 кэВ

и в свинце при < 0.5 МэВ.
Образование пар доминирует над этими двумя процессами при больших энергиях
гамма-квантов: в алюминии при > 15 МэВ и в свинце при Е > 6 МэВ.

эффекта; б – область преобладания комптоновского эффекта;

в – область преобладания эффекта образования пар.

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

т.е. слоем, при прохождении которого интенсивность излучения снижается наполовину.

Слой половинного ослабления может быть выражен через линейный коэффициент ослабления: