Взаимодействие γ-квантов с веществом
Поглощение γ-излучения веществом идет в основном за счет трех процессов: фотоэффекта на электронной оболочке атома , комптоновского упругого рассеяния γ-квантов электронами и рождения электрон-позитронных пар в кулоновском поле ядра. Полный коэффициент поглощения γ-квантов в веществе равен соответственно сумме коэффициентов поглощения за счет этих процессов
(1.120)
Если n=N/V [1/см3] –число атомов в 1 см3 среды, а σ-сечения перечисленных процессов отнесенные на 1 атом среды, то
(1.121)
для фотоэффекта и рождения пар рассеивающими центрами являются атомы, а для комптон-эффекта рассеивающие центры -это Z электронов в атоме (например, для урана Z=92).
Фотоэффект-процесс взаимодействия γ-кванта с электроном связанным с атомом, при котором электрону передается вся энергия γ-кванта. При этом электрон вылетает за пределы атома с энергией
(1.122)
где - энергия γ-кванта, Ai –работа ионизации i-ой оболочки атома(i= K,L,M) при энергиях γ-квантов превышающих энергию связи К-электронов. основной вклад (~80%) в сечение фотоэффекта вносит К-оболочка. Освободившееся место заполняется электронами с расположенных выше оболочек. Этот процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения или испусканием электронов Оже. Следует отметить, что свободный электрон не может поглотить γ-квант.
Для сечения фотоэффекта
σfK =1,09 10 -16 Z5[13,61 Eγ-1(эв)] 7/2 , при Eγ>AK ~ 10 эв
σfK = 1,34 10 -33 Z5 Eγ-1(Мэв) , при Eγ >>mec2=0,5 Мэв
Фотоэффект является главным механизмом поглощения мягкого γ-излучения в тяжелых веществах. Качественная зависимость сечения фотоэффекта следующая,см рис.1.19.
σfK ~ Z5 Eγ-7/2 (1.123)
Комптон-эффект – упругое рассеяние γ-квантов на свободных слабосвязанных электронах, которое сопровождается увеличением длины волны рассеянного γ-излучения. при комптоновском рассеянии происходит преобразование падающего пучка γ-квантов с энергией в рассеянный пучок с энергией зависящей от угла рассеяния относительно направления первоначального кванта .
Сечение комптоновского рассеяния при малых энергиях
σс = σТ (1-2Eγ / me c2 +…) при Eγ << mec2
где σT =8π r02 / 3≈ 0,7 10 -24 см2 -классическое сечение рассеяния, r0 =e2/mec2 =2,8 10-13 см-классический электромагнитный радиус электрона.
Сечение комптоновского рассеяния при больших энергиях
σc = πr02(mec2/2Eγ+ln[2Eγ/mec2] , при Eγ >>mec2.
Общее сечение комптоновского рассеяния на Z-электронах атома.
Zσc ~Z/ Eγ . (1.124)
Рождение электрон-позитронных пар при прохождении гамма-квантов в кулоновском поле ядра происходит, когда энергия γ-кванта Мэв. Для образовании электрон-позитронной пары в кулоновском поле электрона энергия γ-кванта должна быть больше Мэв.
Сечение образования пар в поле ядра следующее
при mec2 << Eγ <<137 mec2Z -1/3
при Eγ >> 137 mec2Z -1/3
Общая зависимость сечения образования электрон-позитронной пары в электрическом (кулоновском) поле ядра
σπ ~ Z 2 ln 2E γ при 5 mec2 << Eγ <<50 mec2. (1.125)
Таким образом, качественная зависимость линейного коэффициента поглощения μ от концентрации частиц n, числа протонов Z в ядре атома вещества, энергии гамма-кванта Eγ имеет вид
μ( n, Z, Eγ) ~ n(Z5 Eγ-7/2 + Z/ Eγ + Z 2 ln 2E γ). (1.126)
Явления, преобладающие при поглощении γ-квантов показаны в таблице 1.7
Табл.1.7
элемент | фотоэффект Eγ | комптоновское рассеяние Eγ | образование пар Eγ |
Свинец Pb Z=82 | До 500 кэв | 500 кэв ÷5 Мэв | >5 Мэв |
Железо Fe Z=26 | До 120 кэв | 120 кэв ÷9,5 Мэв | >9,5 Мэв |
Алюминий Al Z=13 | До 50 кэв | 50 кэв ÷15 Мэв | >15 Мэв |
Воздух Zэф=7,2 | До 20 кэв | 20 кэв ÷23 Мэв | >23 Мэв |
При низких энергиях основной вклад в поглощение гамма-квантов вносит фотоэффект, при средних энергиях - комптоновское рассеяние, при высоких энергиях- рождение электрон-позитронных пар.
График суммарного линейного поглощения гамма-излучения в свинце Pb приведен на рис.1.19. Пунктиром показаны парциальные коэффициенты поглощения за счет фотоэффекта и комптон-эффекта – они падают, коэффициент за счет рождения пар растет с ростом энергии гамма-квантов.
Рис.1.19. Зависимость линейного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце, олове, меди, алюминии от относительной энергии гамма-квантов. – энергия покоя электрона.
Дата добавления: 2014-12-18; просмотров: 1966;