Взаимодействие гамма - частиц.

При радиоактивном распаде ядра испускают гамма - кванты с энергией в пределах от нескольких КэВ (килоэлектроновольт) до нескольких МэВ (мега).

Гамма - кванты при прохождении через вещество теряют энергию в результате проявления практически трех эффектов:

1. Фотоэлектрического поглощения (фотоэффект),

2. Комптоновского рассеяния (комптоноэффект)

3. Образование электронно-позитронных пар (образование пар).

Относительная величина каждых из этих электронов зависит от атомного номера, поглощающего материала и энергии фотона.

Фотоэффект. При фотоэлектрическом поглощении γ - квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще с электронами К-слоя) в атомах излучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии γ - кванта минус энергия связи электрона в атоме. Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного γ - кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон l-слоя, на l-слой - электрон М-слоя и т.д. с высвечиванием квантом характеристического рентгенового излучения.

Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия γ - кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например свинец).

Процесс фотоэффекта не возможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать γ - кванты.

В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при энергии γ - квантов порядка 60 кЭВ.

При Е γ (энергия) – 120кЭВ для фотоэлектрического поглощения составляет около 10%, а начиная с 200кЭэВ, этим процессом логично пренебречь. В этом случае γ -излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния.

Комптонэффект. При комптоновском эффекте γ - кванты сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т.е. рассеиваются. Образовавшиеся в следствии соударения с γ -квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

В отличии от процессов фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте γ -кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеивание возможно на свободных электронах.

Таким образом в результате комптонэффекта интенсивность γ -излучение ослабляется за счет того что γ - кванты, взаимодействуя с электронами среды рассеиваются в различных направления, и выходят за пределы первичного пучка, а также за счет передачи электронам части своей энергии.

Образование электронно-позитронных пар.

Некоторые γ - кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под давлением сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон-позитрон» (позитрон- элементарная частица подобная электрону но с положительным зарядом).

В данном случае происходит преобразование одной формы материи γ -излучения в другую - в частицы вещества.

Образование такой пары возможна только при энергиях, γ -квантов, не меньших чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц — электрона и позитрона. Поскольку масса электрона и позитрона одинаковы, то для образования их без сообщения им дополнительной кинетической энергии, энергия γ -кванта должна удовлетворять отношению взаимосвязи массы и энергии:

Е γ = hν ≥ 2m _e c ² =1,02 МэВ

h — универсальная постоянная планка или энергетический эквивалент (6,62 -10^-27 эрг/с или 4,13 • 10 ^-21МэВ/с), ν - частота колебаний в сек (ни, ню).

Если энергия γ - квантов больше 1,022 МэВ то избыток ее передается частицам. Тогда кинетическая энергия образующихся частиц Ек равна разности между энергией фотона Еv и удвоенной энергией покоя электрона

Еk =Eν -2m _e c ² =hν-1,02 МэВ.

Образовавшаяся электронно-протонная пара в дальнейшем исчезает превращаясь в два вторичных гамма - кванта с энергией, равному энергетическому эквиваленту массы покоя частиц(- 0,511 МэВ позитронный распад).

Вторичные γ - кванты способны вызвать лишь комптонэффект и в конечном счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударениях с электронами. Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии гамма - квантов и плотности поглотителя. γ - лучи высоких энергий (более 8 МэВ) могут взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в веществе

Закон ослабления гамма-излучений веществом - существенно отличается от закона ослабления альфа и бета-частиц. Пучок γ - лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины слоя поглотителя его интенсивность не обращается в ноль ни при каких толщинах слоя поглотителях.

Это значит что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность на любое заданное число раз. В это существенное различие характера ослабления гамма-лучей от ослабления альфа и бета-частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой вещества в котором полностью поглощается поток б и бета-частиц.

Закон ослабления пучка γ - λσχει θμεες ρλεδσώωθι βθδ:

/J= J₀ e^{- μd} /-J(иота),μ (мю).

Где J - интенсивность пучка γ -лучей, прошедших слой поглотителя d.J₀— интенсивность падающего пучка гамма-лучей, μ— линейный коэффициент ослабления равный относительному уменьшению интенсивности пучка гамма-лучей прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см.

Линейный коэффициент ослабления является суммарным коэффициентом который учитывает ослабление пучка гамма-лучей за счет всех трех процессов: фотоэффекта, комптонэффекта и образования пар. τ — τ(тау) - коэффициент поглощения энергии. Таким образом

μ =τ_ф +τ_{к +}τ_n

Поскольку величина μ зависит от энергии поступающих гамма-квантов и от материала поглотителя, то ее можно выразить через отношение μ/р, где р — плотность вещества. В этом случае коэффициент μ будет носить название массового коэффициента ослабления.

Закон ослабления может быть выражает также через слой половинного ослабления (∆1/2).

Толщина поглотителя после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется в двое, - называется слоем половинного ослабления; ∆1/2 - измеряется в единицах поверхностной плотности (мг/см²) и зависит от энергии излучения и плотности поглотителя. Между линейным коэффициентом ослабления и слоем половинного ослабления существует следующее взаимосвязь:

∆1/2 = 0,693/μ или μ = 0,693/ ∆1/2.

Зная слой половинного ослабления можно довольно легко определить какой нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз.