10. Назвать основные процессы взаимодействия фотонов с веществом.

Фотон не имеет заряда, поэтому отсутствуют дальнодействующие кулоновские силы и характерное расстояние взаимодействия фотона с заряженными частицами – электронами оболочки атома или ядром составляет около 10^-13 м. Следовательно, фотон в веществе сравнительно редко сталкивается с зарядами, но при столкновении резко отклоняются от своего пути. Вторая особенность взаимодействия фотонов состоит в том, что они, не имея массы, не могут замедлиться и всегда движутся со скоростью света в вакууме c = 3 10^8 м/с.

В области энергий фотонов от 20 кэВ до 10 МэВ, характерной для реакторных и изотопных источников гамма-излучения, основными процессами взаимодействия фотонов с веществом являются:

– фотоэлектрический эффект;

– комптоновское рассеяние;

– образование электронно-позитронных пар.

В первых двух процессах фотон взаимодействует с электроном, в третьем – с ядром атома.

Фотоэлектрический эффект – при фотоэффекте налетающий фотон передает всю свою энергию одному из атомных электронов и выбивает его из атома. В результате этого процесса фотон исчезает (поглощение фотона) и происходит ионизация атома. С наибольшей вероятностью фотоэффект происходит на электронах внутренней – К-оболочки, связь которых с ядром максимальная.

Комптоновское рассеяние - При увеличении энергии гамма-излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и основным процессом взаимодействия с веществом становится комптоновское рассеяние. В этом процессе фотон, взаимодействуя с электроном атома, передает ему часть своей энергии и изменяет направление своего движения. Скоростью движения атомных электронов можно пренебречь и считать электрон до взаимодействия покоящимся и свободным.

Сечение комптоновского рассеяния растет с увеличением порядкового номера Z атомов среды и слабо убывает с ростом энергии гамма-квантов. Комптоновское рассеяние – основной процесс начального взаимодействия гамма-излучения. В кремнии Комптон-эффект играет основную роль в процессе поглощения фотонов при энергиях от 50 кэВ до 15 МэВ, т. е. почти во всей области энергий, представляющих практический интерес для ядерной физики.

Образование электронно-позитронных пар – при взаимодействии фотона с энергией, превышающей 1,022 МэВ с полем ядра возможно образование электронно-позитронной пары. Электрон (e) и позитрон (+e) испускаются преимущественно в том же направлении, в каком двигался падающий фотон. Энергия фотона (за вычетом энергии массы покоя) распределяется между электроном и позитроном. Свободный позитрон быстро взаимодействует (аннигилирует) с одним из электронов среды, при этом выделяется эквивалентная энергия в виде гамма-излучения. Сечение образования пар растет с увеличением среды и энергией фотонов.

11. При каких энергия фотонов наиболее вероятно протекание этих процессов?

Взаимодействие фотонов с веществом происходит при энергиях от 20 кэВ до 10 Мэв.

12. Что такое слой половинного ослабления? Каков приблизительно слой половинного ослабления для воздуха, воды, стали?

При расчете защиты от гамма-излучения удобно пользоваться наглядной характеристикой ослабляющей способности материала – толщиной слоя (или просто «слоем») половинного ослабления. Слой половинного ослабления уменьшает плотность потока (мощность дозы) в два раза.

Слой половинного ослабления при энергии гамма-излучения 1 МэВ составляет для некоторых видов среды: 90 м для воздуха, 10 см для воды, 4,3 см для алюминия, 1,5 см для железа и 0,9 см для свинца.