3.3.3.Процесс образования электрон-позитронных пар.

Если энергия фотона превосходит примерно удвоенную энергию массы покоя электрона где m и М - масса электрона и ядра), то фотон может быть полностью поглощен в кулоновском поле ядра с образованием пары электрон-позитрон. Так как масса атома много больше массы образующихся частиц, то в случае образования электрон-позитронной пары баланс энергии имеет следующий вид (закон сохранения энергии):

E_γ ^/= 2mc² + E_e- + E_e+ (3.31)

где Е_е- и E_e+ - кинетические энергии электрона и позитрона. Таким образом, энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона и в энергию аннигиляции 2mc².

Пара электрон-позитрон может образоваться и в поле электрона; этот процесс значительно менее вероятен, наблюдается для фотонов с энергиями выше 4 и при нем образуются в итоге 3 легких частицы: 2 электрона и позитрон. Наличие ядра или электрона является обязательным в процессе образования электрон-позитронной пары, так как только при этих условиях выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Эффективное микроскопическое поперечное сечение процесса образования электрон-позитронных пар в поле ядра при энергиях фотонов выше хорошо описывается формулой Бете-Гайтлера:

κ = r_е² (3.32)

т.е. пропорционально квадрату атомного номера ядра и логарифму энергии фотона. При энергиях фотонов выше 40 МэВ рост сечения замедляется, приближаясь к постоянному, особенно для тяжелых ядер за счет экранировки поля ядра атомными электронами.

Образующиеся электрон и позитрон испускаются преимущественно в направлении налетающего фотона в пределах угла 0,511/Е^/_γ.

Для оценки энергии, которая в процессе образования пар переходит в кинетическую энергию образующихся электрона и позитрона, по аналогии с фотоэффектом и комптоновским рассеянием можно ввести сечение образования пар, характеризующее передачу энергии фотона образующейся паре:

_аκ=κ (Е_γ ^/ - 2mc²)/ Е_γ^/ (3.33).

Образующийся при образовании пар позитрон нестабилен в присутствии свободных электронов среды и практически мгновенно, сталкиваясь с электроном, аннигилирует, образуя 2 фотона с энергией 0,511 МэВ. Таким образом, образуется вторичное фотонное излучение, которое необходимо учитывать при проектировании защиты и оценке радиационной безопасности высокоэнергетичного фотонного излучения.

3.3.4. Характеристическое излучение.

Как отмечалось выше, фотоэффект сопровождается образованием вакансий на ближних к ядру электронных оболочках, которые при переходе атома в основное невозбужденное состояние заполняются электронами с внешних по отношению к вакантной оболочек с образованием характеристического фотонного излучения, т.е. фотонов с энергиями, равными разнице энергий электронов на оболочках, между которыми происходит переход. При Е^/_γ >Е_K в основном происходит выбивание электрона с К-оболочки, вакансия занимается электроном с L-оболочки, и энергия фотонов характеристического излучения Е_γ = Е_K -Е_L.. Наиболее заметен выход характеристического излучения для тяжелых сред и при низких энергиях фотонов. Энергия фотонов характеристического излучения для тяжелых атомов может достигать 0,1 МэВ (0,075 МэВ для свинца), для легких атомов она мала и эти фотоны практически сразу же поглощаются в веществе. Таким образом, дискретные энергии фотонов характеристического излучения не превышают примерно 100 кэВ, поэтому в большинстве задач защиты и радиационной безопасности при работе с источниками фотонов с энергией выше 0,5 МэВ их вкладом в характеристики поля фотонного излучения можно пренебречь. Следует отметить, что анализ спектров характеристического излучения широко используется в активационном анализе, учитывая однозначную связь между энергией этих фотонов и атомным номером химического элемента.

Каскадные переходы электронов между уровнями могут сопровождаться не только выходом характеристического излучения, но и испусканием электронов. Эти электроны Оже имеют кинетическую энергию равную также, как и фотоны разнице энергий уровней, между которыми происходит переход.