Взаимодействие гамма-излучения с веществом

При радиоактивном распаде ядра испускают гамма-кванты с энергией в пределах от нескольких килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. Проходя через вещество, гамма-кванты теряют энергию в результате проявления практически трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (комптонэффект), образования электронно-позитронных пар. Относительная величина каждого из этих эффектов зависит от атомного номера поглощающего материала и энергии фотона.

Фотоэффект. При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще электронами К -слоя) в атомах облучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта минус энергия связи электрона в атоме (Рис. 0.5). Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного гамма-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 квантов характеристического рентгеновского излучения.

Рис. 0.5. Выбивание электрона с внутренней электронной оболочки (фотоэффект).

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

Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать гамма-кванты. В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50 % при энергии гамма-квантов порядка 60 кэВ. При Е_γ = 120 кэВ доля фотоэлектрического поглощения составляет около 10 %, а начиная с 200 кэВ этим процессом можно пренебречь. В этом случае гамма-излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния.

Комптонэффект. Этот эффект состоит в том, что гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т. е. рассеиваются (Рис. 0.6). Вследствие соударения с гамма-квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

Рис. 0.6. Рассеивание гамма-квантов на свободных электронах.

В отличие от процесса фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте гамма-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеяние возможно на свободных электронах. Таким образом, в результате комптонэффекта интенсивность гамма-излучения ослабляется вследствие того, что гамма-кванты, взаимодействуют с электронами среды, рассеиваются в различных направлениях и уходят за пределы первичного пучка, а также в результате передачи электронам части своей энергии.

Образование электронно-позитронных пар. Некоторые гамма-кванты с энергией не ниже 1,022 МэВ, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон–позитрон» (Рис. 0.7). В данном случае одна форма материи – гамма-излучение преобразуется в другую – в частицы вещества!

Образование такой пары частиц возможно только при энергиях гамма-квантов, не меньших, чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц – электрона и позитрона. Поскольку массы электрона и позитрона одинаковы, то для образования их (без сообщения им дополнительной кинетической энергии) энергия гамма-кванта должна удовлетворять соотношению взаимосвязи массы и энергии:

Е _γ = hv ≥ 2 m_ec ² ≈ 1,022 МэВ.

Если энергия гамма-квантов больше 1,022 МэВ, то избыток ее предается частицам. Тогда кинетическая энергия образующихся частиц Е _к равна разности между энергией фотона Е _γ, и удвоенной энергией покоя электрона:

Е _к = Е _γ – 2 m_ec ² = hv – 1,022 МэВ.

Рис. 0.7. Образование электрон-позитронных пар.

Образовавшая электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает (аннигилирует), превращаясь в два вторичных гамма-кванта с энергией равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц (0,511 МэВ). Вторичные гамма-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 возрастанием энергии гамма-квантов и плотности поглотителя. Гамма-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-излучения веществом. Он существенно отличается от закона ослабления потока альфа- и бета-частиц. Пучок гамма-лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины слоя поглотителя; его интенсивность не обращается в нуль ни при каких толщинах слоя поглотителя. Это значит, что, какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность в любое заданное число раз (Рис. 19). В этом существенное отличие характера ослабления гамма-излучения от ослабления потока альфа- и бета-частиц, где всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором полностью поглощается поток альфа- или бета-частиц.

Закон ослабления пучка гамма-лучей имеет следующий вид:

I=I ₀ e^–μd,

где I – интенсивность пучка гамма-лучей, прошедших через слой поглотителя толщиной d; I₀ — интенсивность падающего пучка гамма-лучей; μ – линейный коэффициент ослабления, равный относительному уменьшению интенсивности пучка гамма-лучей после прохождения я поглотителя толщиной 1 см.

Линейный коэффициент ослабления – суммарный коэффициент, который учитывает ослабление пучка гамма-лучей за счет всех трех процессов: фотоэффекта τ _ф, комптонэффекта τ _к и образования пар τ _п. Таким образом,

μ = τ _ф ⁺ τ _к ⁺ τ _п.

Значение μ зависит от двух параметров: энергии поглощаемого пучка гамма-квантов и от материала поглотителя, поэтому его можно выразить через отношение μ/ρ, где ρ – плотность вещества. В этом случае коэффициент μ, будет носить название массового коэффициента ослабления.

Закон ослабления может быть выражен также через слои половинного ослабления d _½. Толщина поглотителя, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется вдвое, называется слоем половинного ослабления; d _½ измеряется в единицах поверхностной плотности (мг / см ²) и зависит от энергии излучения и плотности поглотителя. Между линейным коэффициентом ослабления и слоем половинного ослабления существует следующая взаимосвязь:

d _½ = 0,693/ μ,

или μ = 0,693/ d _½.

Зная слой половинного ослабления, можно довольно легко определить, какой нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз. Например, один слой уменьшает интенсивность излучения в 2 раза, два слоя – в 4 раза, три слоя – в 8 раз и т. д., n слоев – в 2 ⁿ раз. Следовательно, чтобы ослабить интенсивность излучения, например в 512 раз, надо взять столько слоем половинного ослабления и, чтобы 2 ⁿ = 512. В данном случае n =9, т. е. девять слоев половинного ослабления уменьшают интенсивность падающего излучения в 512 раз.

Контрольные вопросы

1. В чем различие между упругим и неупругим взаимодействием?

2. Может ли альфа-излучение вызывать ионизацию вещества?

3. Проникают ли бета-частицы внутрь ядра?

4. Отклоняются ли нейтроны в электрическом поле электронных оболочек атомов?

5. Во что превращаются гамма-кванты при постепенной потере своей энергии?

6. Какова длина пробега гамма-квантов в веществе?

7. Возможен ли фотоэффект при комптон-эффекте?

Дата добавления: 2014-01-05