Эффект Комптона

Имеет место, когда энергия гамма-кванта во много раз превышает энергию связи электронов в атоме, т.е. электрон можно считать свободным. В отличие от фотоэффекта при комптоновском взаимодействии гамма-кванты сталкиваются с валентными электронами, энергия связи которых минимальна.

Рис. 1.8. Коэффициент поглощения гамма-излучения

для разных материалов

При этом гамма-квант передает электрону часть своей энергии, а другая часть испускается (рис. 1.9) в виде ослабленного фотонного излучения, т.е. рассеивается.

Рис. 1.9. Схема эффекта Комптона

Баланс энергии в случае комптоновского эффекта соответствует выражению

- энергия падающего гамма-кванта;

- энергия рассеянного под углом гамма-кванта;

- энергия комптон-электрона, вылетевшего под углом .

Кинетическая энергия комптоновского электрона зависит от угла вылета и может быть определена по формуле:

.

Комптоновский электрон, вылетающий под углом к первоначальному направлению движения гамма-кванта, расходует свою кинетическую энергию на ионизацию и возбуждение атома.

При комптоновском процессе гамма-квант не может исчезнуть.

Рассеянный гамма-квант, вылетающий под углом , взаимодействует с электронами других атомов, теряя постепенно энергию. Конечной стадией его поглощения является обычно фотоэффект.

Величина энергии комптоновского электрона зависит от угла вылета, т.е. подчиняется случайному закону. Максимальную энергию приобретает электрон, вылетевший под углом = 0, при этом

,

где 0,511 МэВ - энергия покоя электрона.

Гамма-кванты могут рассеиваться в интервале углов от 0⁰ до 180⁰, а комптоновские электроны вылетают под углами, не превышающими 90⁰.

При заданной энергии падающих гамма-квантов энергия рассеянного излучения уменьшается с уменьшением угла рассеяния. Она достигает минимального значения при угле рассеяния равного 180⁰ (рассеяние «назад»).

При больших энергиях исходного кванта энергия кванта рассеянного «назад» стремится к минимальному значению 0,25 МэВ.

Рис. 1.10. Спектр комптоновских электронов

Так как при эффекте Комптона часть энергии первичных квантов превращается в кинетическую энергию электронов, а другая рассматривается в виде ослабленного фотонного излучения, то полный эффект комптоновского взаимодействия может быть представлен в виде суммы двух слагаемых.

где - части комптоновского коэффициента ослабления, характеризующие преобразование энергии первичного фотонного излучения в энергию электронов и в энергию квантов, соответственно. Или иначе, - линейные коэффициенты комптоновского поглощения и рассеяния.

Рис. 1.11. Зависимость линейного коэффициента поглощения

от энергии гамма-излучения для свинца

Как видно из выше сказанного при взаимодействии гамма-излучения с веществом в процессе комптоновского взаимодействия происходит процесс передачи энергии веществу в широком спектре энергий гамма-излучения.

Отсюда, комптон-эффект является основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом в широком диапазоне энергий.