Ефект Комптона

При взаємодії кванта з вільним електроном відбувається його розсіяння на кут  від початкового напрямку поширення та часткова втрата енергії, яка передається електронові. Встановлено, що втрата енергії квантом при такому розсіянні не залежить від його початкової енергії і однозначно визначається кутом розсіяння . Енергія розсіяного кванта E_‘ обчислюється за формулою Комптона:

. (3.5)

Інтегральна величина коефіцієнта розсіяння  у розрахунку на один електрон у найзагальнішому випадку визначається формулою Кляйна-Нішини:

, (3.6)

де r₀ - класичний радіус електрона;  __ енергії падаючого та розсіяного квантів відповідно.

Співвідношення (3.6.) спрощується для певних умов взаємодії квантів з центром розсіяння. Якщо E_m_ec², то цей вираз набуде вигляду

. (3.7)

З огляду на складність вимірювання величини кута розсіяння у випадку інтегральних експериментів, це співвідношення може бути перетворене до вигляду, в якому величина  відсутня:

; .(3.8)

Як видно з формули (3.8.), спостерігається пряма залежність величини від заряду ядра та обернена від енергії квантів, що вказує на переважання цього процесу в області малих та середніх (до 3 МеВ) енергій квантів. Проте енергетичний діапазон в якому істотними є ефекти розсіяння квантів на електронах ширший, ніж відповідний енергетичний діапазон для фотоефекту.

Ефект утворення пар

В квантах, енергія яких перевищує подвійну величину енергії спокою електрона, спостерігається процес перетворення їх в пару елементарних частинок - електрон та позитрон. Іншою необхідною умовою цього процесу є наявність кулонівського поля іншої частинки, в якому цей процес відбувається. Енергія кванта витрачається на створення пари електрон-позитрон, надання кінетичної енергії їм та частинці, в полі якої відбувся процес. Найбільш імовірним є утворення пар у полі ядра атома, при цьому порогова енергія утворення пари становить 2m_ec², менш імовірним у полі електрона, де порогова енергія становить 4m_ec².

Залежність коефіцієнта поглинання , що відповідає ефектові утворення пар для випадку подається у вигляді

. (3.9.a)

А для енергій квантів, для яких виконується умова цей вираз має вигляд

. (3.9.б)

У загальному залежність величини  та її компонентів можна проілюструвати за допомогою графіка, зображеного на рис.3.1.

Важливим фактом, який добре ілюструє цей графік, є те, що для пучка моноенергетичних квантів одночасно вносять основний вклад у його послаблення не більше двох із згаданих процесів поглинання і розсіяння: для малих енергій квантів (E_<1МеВ) це фотоефект та ефект Комптона, а для великих (E_>10МеВ) - це лише процес утворення пар. Для проміжних значень енергії квантів найбільший внесок дає процес комптонівського розсіяння на електронах речовини поглинача.

Рис.3.1. Енергетична залежність коефіцієнтів поглинання та розсіювання квантів для свинцю

Визначення лінійного коефіцієнта послаблення проводиться на установці, в якій використано джерело іонізуючого випромінювання, що дає вузький і майже паралельний пучок квантів. На шляху між джерелом та газорозрядним лічильником, який знаходиться в свинцевому будиночку з вузьким вхідним отвором, встановлюється різна (щораз більша) кількість однакових пластинок поглинача. Отримують залежність швидкості лічби від товщини поглинача, яка для монохроматичного випромінювання в напівлогарифмічних координатах має вигляд прямої, тангенс нахилу котрої до осі абсцис дорівнює лінійному коефіцієнтові послаблення променів .