Эффект образования пары

Эффект образования электрон-позитронной пары (пар-эффект) наблюдается только при энергиях гамма‑квантов, превышающих суммарную энергию покоя образованной пары. Этот эффект заключается в том, что фотон, не имеющий массы покоя, вблизи атомного ядра превращается в две материальные частицы (точнее – в частицу и античастицу). Так как энергия покоя позитрона равна энергии покоя электрона (m₀c²), то в качестве их суммарной энергии следует принять удвоенную энергию покоя электрона 2m₀c²=1,02 МэВ. При этом первичный гамма‑ квант исчезает, а свободная энергия, превышающая 1,02 МэВ, распределяется между электроном и позитроном. Теоретически этот процесс наиболее вероятен в поле атомного ядра (рис.3.5), хотя не исключена возможность образования электронно-позитронной пары в поле атомного электрона. Однако, вероятность последнего процесса значительно меньше, чем первого.

Рисунок 5- Эффект образования пары.

Уравнение баланса энергии при пар-эффекте имеет следующий вид:

Е_g - 1,02 МэВ = Е_ķ⁺ + Е_ķ^-

В виду того, что массы электрона и позитрона равны, то наиболее вероятно равное распределение энергии между ними: Е_ķ⁺ = Е_ķ^-. В дальнейшем кинетическая энергия двух этих частиц расходуется на ионизацию атомов среды. Замедлившийся электрон будет захвачен одним из атомов среды, превратив его в ион. Позитрон, замедлив свое движение в процессе ионизации вещества, взаимодействует с одним из электронов. Происходит явление аннигиляции. Электрон и позитрон исчезают, а высвободившаяся при этом энергия излучается в виде двух гамма‑квантов, суммарная энергия которых составляет: Е₁ + Е₂ =1,02 МэВ.

Таким образом, при пар - эффекте энергия первичного гамма‑кванта в конечном счете преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц (электронов) и энергию вторичного (аннигиляционного) излучения.

Вероятность эффекта образования пары растет с увеличением энергии гамма ‑ излучения и атомного номера вещества. Следует, однако, иметь в виду, что энергия гамма ‑ излучения естественных радионуклидов редко превышает 3 МэВ, поэтому эффект образования пары для них маловероятен. Он более характерен для ядерных реакций и аппаратных источников гамма-излучения.

Как правило, при прохождении через вещество моноэнергетического гамма‑ излучения идут не более, чем два процесса: фотоэффект и комптон- эффект или комптон- эффект и пар-эффект. При немоноэнергетическом излучении могут идти все три процесса одновременно. Поэтому, по аналогии с комптон-эффектом, здесь можно говорить о коэффициенте передачи энергии ķ_n и коэффициенте рассеяния энергии ķ_s гамма‑излучения. Из двух указанных коэффициентов будет складываться полный линейный коэффициент ослабления гамма‑излучения за счет пар-эффекта: ķ = ķ_n + ķ_s. Линейный коэффициент ослабления для пар-эффекта ķ можно рассчитать по формуле:

где r – плотность вещества, г/см³;

Z – атомный номер вещества;

А – атомная масса вещества;

F* – коэффициент, зависящий от энергии гамма‑квантов.

Линейный коэффициент передачи энергии ķ_n при пар-эффекте вычисляют по формуле:
ķ_n = (1 – 1,02 / Е_g)· ķ, см^-1

Вероятность эффекта образования пары растет с увеличением энергии гамма‑излучения и атомного номера вещества.

Как правило, при прохождении через вещество моноэнергетического гамма‑излучения идут не более, чем два процесса: фотоэффект и комптон-эффект или комптон-эффект и пар-эффект. При определенных условиях один из эффектов может доминировать в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом рождаются электроны. Эти электроны, обладающие значительно большей ионизирующей способностью, чем гамма-кванты, являются информативным признаком наличия гамма-излучения. Поэтому многие методы дозиметрии гамма-излучения основаны именно на регистрации вторичного бета-излучения.

Дата добавления: 2014-01-20