Эффект образования электронно-позитронных пар

Если энергия гамма-излучения превышает удвоенную энергию покоя электрона, т.е. E = 1,02 МэВ и более, то часть гамма-квантов при прохождении через вещество в поле атомного ядра вызывает образование пар электрон-позитрон. При этом гамма-квант исчезает, а его энергия за вычетом E = 1?02 МэВ передается образовавшимся в кулоновском поле ядра электрону и позитрону (рис. 1.12).

При эффекте образования электронно-позитронных пар имеет место следующий баланс энергий:

Вследствие равенства масс позитрона и электрона наиболее вероятно и равное распределение энергии между ними, т.е. . Но могут возникнуть также электроны и позитроны с различными энергиями. При этом образовавшиеся позитрон и электрон разлетаются таким образом, что геометрическая сумма их импульсов плюс импульс ядра, в поле которого происходит образование пар, равняется импульсу падающего гамма-излучения.

Теоретически наиболее вероятен процесс образования пар вблизи атомного ядра, менее вероятен – вблизи электрона, а также в результате столкновения двух фотонов.

Кинетическая энергия электрона и позитрона расходуется в дальнейшем на ионизацию атомов вещества. При встрече электрона с позитроном их заряды нейтрализуются (это явление называется аннигиляцией), и частицы преобразуются в два фотона, разлетающиеся в противоположные стороны, с энергией, равной сумме энергий позитрона и электрона плюс их энергия покоя.

Рис. 1.12. Схема эффекта образования электронно-позитронных пар

Таким образом, при эффекте образования пар энергия гамма-квантов преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц и в энергию фотонного излучения.

Вероятность эффекта образования пар растет с увеличением энергии квантов и атомного номера вещества. При малых энергиях гамма-квантов ( несколько больше 2 m₀с²) углы разлета электрона и позитрона составляют 20⁰…60⁰. При больших энергиях первичных гамма-квантов угол отклонения электрона и позитрона от направления движения гамма-кванта очень мал.

Вследствие равенства масс позитрона и электрона наиболее вероятно и равное распределение энергии между ними. Но могут возникнуть электроны и позитроны с различными энергиями. При этом образовавшийся позитрон и электрон разлетаются таким образом, что геометрическая сумма их импульсов плюс импульс ядра, в поле которого происходит образование пар, равняется импульсу падающего гамма-кванта.

Процесс образования пар в тяжелых элементах будет сказываться сильнее, чем в легких элементах.

В большинстве случаев энергия квантов, испускаемых естественными и искусственными радионуклидами, не превышает 3 МэВ, поэтому поглощение излучения за счет эффекта образования пар не учитывается ввиду его несущественной роли при этих энергиях.

Эффект образования пар при энергиях больших 1,02 МэВ резко увеличивается, затем рост замедляется, и при очень больших энергиях характер взаимодействия становится практически неизменным.