3.4 Образование пар. Другие процессы ослабления -лучей

Условия, необходимые для рождения пар. Рождение пары представляет собой процесс превращения -фотона в две элементарные частицы — электрон и позитрон. Процесс возможен в том случае, когда масса фотона m_ф будет не меньше суммы масс покоя электрона т_ и позитрона т₊1

m_ф m_+ т₊

или энергетическое условие

hv2 т₀c² = 2  0,511 Мзв = 1,022 Мэв,

т.е. пару электронпозитрон может образовать -фотон с энергией не меньше 1,022 Мзв . Однако помимо закона сохранения энергии должен выполняться закон сохранения импульса. Но импульсы пары всегда меньше импульса фотона. Отношение импульсов:

,

так как скорости  электронов и позитрона не могут быть равны с. Следовательно, процесс возможен только в том случае, если в нем будет участвовать, по крайней мере, еще одна частица, которая принимает на себя избыток импульса, поэтому образование пары происходит обычно в поле тяжелого ядра, вследствие чего граничное условие hv=2m₀c² практически не нарушается (с точностью до , где М —масса ядра).

Образование пар в поле электрона, -фотон может образовать пару электрон—позитрон и в поле электрона. В этом случае должно быть hv>2m₀c², так как электрон, принимая импульс, уносит заметную энергию, в результате чего на снимках виден триплет, образованный двумя электронами и одним позитроном. Отношение сечений для образования триплетов и пар равно:

, где с4

Уголовное распределение компонент пары. Опыт показывает, что компоненты пары вылетают вперед в небольшом угловом интервале. Для среднего угла между направлениями движения электрона и позитрона можно записать:

,

где Е₀, Е — энергия покоя и полная энергия электрона (позитрона).

Полное сечение ослабления пучка –квантов. Полное сечение ослабления складывается из сечения фотоэффекта _ф, комптон-эффекта _к и образования пар _n:

=_ф+_к+ _n.

Полное сечение оказывается сложной функцией hv и z. Но для данного z с ростом hv уменьшается, проходит через минимум, затем увеличивается, асимптотически приближаясь к _n (рис. 4).

В настоящее время имеется большой экспериментальный материал, дающий связь величины =N с энергией. Это позволяет определять энергию -квантов по коэффициенту ослабления .

Ядерный фотоэффект. Ядро, поглотившее -фотон, переходит в возбужденное состояние, в результате чего оно может выбросить нуклон, чаще всего нейтрон. Характерными чертами ядерного фотоэффекта является наличие пороговой энергии hv_пор1 фотоэффект наблюдается при hv>hv_пор — и широкого (в несколько Мэв) резонансного пика.

Интегральное сечение по всем энергиям пропорционально массовому числу ядра:

Мэв см²,

где В = (1,5  3) в зависимости от ядра. Это дает при ширине максимума в 5  10 Мэв:

  0,001  0,004 см²/г.

Томссоновское и комптоновское рассеяния на ядре имеют сечения соответственно:

;

для одного нуклона,

где М_р — масса протона.

Экспериментально оба эффекта практически не промеряются.

Образование мезонов. При энергиях больше 140Мэв -фотоны образуют мезоны. Сечение этого процесса для hv ~ 300Мэв равно 10^28 А см², что соответствует коэффициенту поглощения 10^4 см²/г. Несмотря на столь малый коэффициент поглощения -лучей, мезоны легко наблюдаются.