Преобразование энергии гамма-излучения в веществе

Гамма-излучение - это фотонное излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомного ядра, ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Этот вид излучения обычно сопровождает альфа- или бета-распада радионуклида. В результате распада вновь образовавшееся ядро может находиться в возбужденном состоянии, т.е. обладать избытком энергии. Переход ядра из возбужденного в основное сопровождается испусканием одного или нескольких гамма-квантов, например:

.

Энергетический спектр гамма-излучения является дискретным, его часто называют линейчатым. Так, в приведенном выше примере, переход возбужденного ядра ⁶⁰Ni в основное состояние сопровождается испусканием последовательно двух гамма-квантов с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ, т.е. энергетический спектр гамма-излучения радионуклида ⁶⁰ Со состоит из двух линий.

Энергия гамма-квантов, испускаемых при распаде естественных и искусственных радионуклидов, лежит в интервале 0,01...10,0 МэВ. В большинстве случаев энергия гамма-квантов, испускаемых естественными и искусственными радионуклидами, не превышает 3,0 МэВ.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, в несколько раз превышающей способность бета-частиц.

В области энергии гамма-излучения до 10 МэВ наиболее вероятны три эффекта взаимодействия излучения с веществом. Это - фотоэлектрический эффект (фотоэффект), эффект Комптона и эффект образования электронно - позитронных пар.

Фотоэлектрическое поглощение – фотоэффект

Если энергия падающего гамма-излучения невелика, но достаточная для преодоления энергии связи электрона в атоме, он покидает наружные энергетические уровни атома и вылетает за его пределы с энергией, отличающейся от энергии падающего гамма-излучения на значение энергии связи. Такие электроны обычно называют фотоэлектронами. С увеличением энергии падающего гамма-излучения взаимодействие с электронами происходит на внутренних энергетических уровнях K, L, M атомов.

При фотоэффекте вся энергия гамма-кванта E передается одному из внутренних (рис. 1.7) электронов атома, который вылетает из атома с кинетической энергией E. Фотоэлектроны, образовавшиеся в результате фотоэлектрического поглощения моноэнергетических гамам-квантов, будут иметь практически одинаковую энергию. Наибольшую вероятность фотоэффект имеет на К-электронах при условии, что энергия фотона превышает энергию связи электронов на К-уровне.

Рис. 1.7. Схема фотоэффекта. Спектр электронов при фотоэффекте

Фотоэлектрон преимущественно вылетают под углом к направлению движения пучка гамма-квантов с малой энергией. С увеличением энергии гамма-квантов растет число электронов, вылетающих под углом меньше 90⁰.

Вылетевший из атома фотоэлектрон освобождает место на соответствующем глубоком энергетическом уровне, который через короткий промежуток времени (около 10 с) заполнится электроном с верхнего уровня. При этом испускается фотон характеристического излучения.

Характеристическое излучение обычно поглощается вблизи атома, и его энергия также расходуется на ионизацию среды. Поэтому приближенно считают, что . Процесс перехода ионизированного атома в нормальное состояние может проходить и без испускания характеристического излучения, а путем испускания электронов из этого же атома, т.е. атом может оказаться дважды и трижды ионизованным. Эти электроны носят название электронов Оже по имени французского ученого. В веществах с большим атомным номером преобладает характеристическое излучение, в тканеэквивалентных веществах - электроны Оже. Поглощение электронов в веществе определяется формулой для - атомного коэффициента фотоэлектрического поглощения:

cм²/г,

где c - коэффициент; n - 2,3...3,0. Обычно принимают n = 3,0.

Линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения может быть рассчитан по формуле

,

где - выражен в см^-1;

- в г/см³;

- в МэВ.

Из этой формулы следует, что коэффициент фотоэлектрического поглощения резко убывает с увеличением энергии гамма-квантов и возрастает с увеличением атомного номера среды.

В воздухе фотоэффект заметно сказывается (рис. 1.8) при энергии гамма-квантов до 0,1 МэВ, а в свинце – до 8 МэВ. То есть, поглощение электронов за счет фотоэффекта резко убывает с уменьшением энергии и возрастает с увеличением атомного номера вещества.

Как видно из графиков, в воздухе фотоэффект сказывается только при меньше 0,1 МэВ. При этом спектр фотоэлектронов дискретный.