Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)

Взаимодействие гамма-излучения с веществом

При прохождении гамма‑излучения через вещество ослабление излучения (и, следовательно, передача энергии веществу) происходит, главным образом, вследствие трех физических эффектов: фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электронно-позитронной пары. Теоретически также возможно возникновение четвертого вида взаимодействия – протекание фотоядерных реакций (взаимодействие гамма‑квантов непосредственно с ядрами атомов), но этот процесс заметно проявляется только при энергиях гамма‑излучения, превышающих 10 МэВ (подавляющее большинство гамма‑излучающих радиоизотопов имеет энергии квантов до 3 МэВ).

Основным процессом, определяющим поглощение энергии γ-квантов в веществе:

эффект	энергия Еγ	особенности
фотоэффект	< 0,5 МэВ	Еγ полностью поглощается атомом вещества и преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов
комптон-эффект	0,5 МэВ < Еγ < 1,02 МэВ	Еγ преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов и энергию рассеянных квантов
эффект образования пар	Еγ > 1,02 МэВ	Еγ преобразуется в образование пары электрон-позитрон и энергию γ-квантов аннигиляционного излучения

Вероятность того или иного вида взаимодействия зависит от энергии гамма‑излучения и атомного номера вещества. Если вероятности всех трех эффектов соизмеримы, то линейный коэффициент ослабления m будет равен сумме линейных коэффициентов, характеризующих вклад каждого в отдельности процесса в ослабление гамма‑излучения:

m = t + s + ķ,

где t, s, ķ – линейные коэффициенты ослабления гамма‑излучения за счет фотоэффекта, комптон-эффекта и пар-эффекта соответственно. Эти коэффициенты, так же как и полный коэффициент ослабления m, могут быть линейными, массовыми, атомными и электронными. Теперь более подробно рассмотрим каждый из перечисленных эффектов.

При фотоэлектрическом эффекте (или фотоэлектрическом поглощении) вся энергия первичного гамма‑кванта расходуется на вырывание электрона с одной из внутренних оболочек атома (в 80 % случаев – это ближайшая к ядру К‑оболочка).

Рисунок 1 - Фотоэффект

Разумеется, этот процесс возможен только при условии, что гамма‑квант обладает энергией Е_g, превышающей энергию связи электронов на К‑уровне Е_i. (Как правило, Е_g >> Е_i). Разность между энергией гамма‑кванта и энергией связи электрона в атоме передается электрону в виде кинетической энергии . Уравнение баланса энергии при фотоэффекте имеет вид:

Вырванный из атома электрон освобождает место на нижнем энергетическом уровне, вследствие чего атом оказывается в возбужденном состоянии. В дальнейшем (спустя ~10^-8 с) это вакантное место на нижнем уровне занимает один из электронов с верхних уровней, что приводит к испусканию фотона характеристического излучения. Энергия такого излучения невелика и оно не вызывает заметного ионизирующего эффекта по сравнению с первичным гамма‑ излучением.

Процесс перехода возбужденного атома в основное состояние может происходить и без излучения характеристического кванта. В этом случае избыток энергии возбужденного атома расходуется на испускание еще одного или, реже, нескольких электронов (т.е. характеристический квант, как бы, поглощается внутри самого атома, вырывая электрон с одной из наружных оболочек). Иными словами, происходит автоионизация возбужденного атома. Следовательно, атом в результате фотоэффекта может быть ионизирован дважды или даже трижды. Эти электроны, испускаемые вслед за фотоэлектронами, носят название электронов Оже, а сам эффект автоионизации возбужденных атомов называют эффектом Оже или оже-эффектом.

На практике чаще всего приходится иметь дело с гамма ‑излучением, энергия которого намного выше энергии связи электрона в атоме (Е_g >> Е_i). Энергия ионизации различных атомов исчисляется единицами и десятками электронвольт (например, средняя энергия ионизации воздуха равна 34 эВ). В то же время, энергия гамма-излучения большинства радионуклидов исчисляется сотнями тысяч и миллионами электронвольт. Поэтому приближенно можно считать, что Е_g», т.е. практически вся энергия гамма‑кванта (Е_g) преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектрона. Отсюда следует, что все электроны, образованные в результате фотоэлектрического поглощения моноэнергетического гамма‑излучения, будут иметь практически одинаковую энергию (рис. 3.2).

Рисунок 2- Спектр фотоэлектронов моноэнергетического гамма-излучения.

Поскольку в процессе фотоэффекта не происходит рассеяния энергии первичного гамма‑излучения (вся она поглощается электронами), в области малых энергий, где фотоэффект является преобладающим процессом, рассеивания энергии гамма-излучения не происходит. Вся энергия гамма-квантов тратится на ионизацию среды, причем в веществах с большим Z этот эффект выражен более явно. Именно поэтому детекторы ионизирующего излучения обладают наибольшей чувствительностью в области малых энергий гамма-излучения. В особенности это свойство присуще твердотельным детекторам.

Однако, при очень малых энергиях гамма-излучения (когда они соизмеримы с энергией связи электрона на K-уровне) фотоэффект может происходить на других оболочках (L-, M-, N- и т. д). Это обуславливает появление скачков в зависимостях величины t от энергии

Вывод. В области малых энергий, где фотоэффект является преобладающим процессом, рассеивания энергии гамма-излучения не происходит. Вся энергия гамма-квантов тратится на ионизацию среды, причем в веществах с большим Z этот эффект выражен более явно.

Дата добавления: 2014-01-20