10. Виды взаимодействия гамма-излучения с веществом. Закон поглощения пучка гамма-излучения.

Электромагнитные излучения представляют собой электромагнитные волны, которые характеризуются длиной волны и частотой колебаний. К ним относятся рентгеновские и гамма лучи.

Проходя через вещество, гамма-кванты теряют энергию в результате проявления практически трех эффектов:

• Фотоэффект. При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще электронами K-слоя) в атомах облучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта минус энергия связи электрона в атоме: Ее = E_ – Есв (рис. 12).

Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного гамма-кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите K-слоя перескакивает электрон L-слоя, на L-слой — электрон M-слоя и т. д. с высвечиванием квантов характеристического рентгеновского излучения.

Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия гамма-кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например, свинец).

Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут

поглощать гамма-кванты. В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при

энергии гамма-квантов порядка 60 кэВ. При E_ = 120 кэВ доля фотоэлектрического поглощения составляет около 10%,

а начиная с 200 кэВ этим процессом можно пренебречь. В этом случае гамма-излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния.

• Комптон-эффект. Этот эффект состоит в том, что гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т. е. рассеиваются (рис. 13). Вследствие соударения с гамма_квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

В отличие от процесса фотоэлектрического поглощения, при комптон-эффекте гамма-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеяние возможно на свободных электронах, легких элементов при E_ _ 0,05 МэВ.

Таким образом, в результате комптон-эффекта интенсивность гамма-излучения ослабляется вследствие того, что гамма-кванты, взаимодействуя с электронами среды, рассеиваются в различных направлениях и уходят за пределы первичного пучка, а также в результате передачи электронам части своей энергии: E_2 = E_1 – Ее.

Если энергия падающего гамма_кванта будет равна 0,13 МэВ, то на фотоэффект будет приходиться 1%, а на комптон_эффект — 99%. Если E_1 = 0,511 МэВ, то на комптон-эффект придется 100% взаимодействия.

• Образование электронно-позитронных пар. Некоторые гамма-кванты с энергией не ниже 1,022 МэВ, проходя через плотное вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару электрон — позитрон.

В данном случае одна форма материи — гамма-излучение преобразуется в другую — в частицы вещества. Образование такой пары частиц возможно только при энергиях гамма-квантов не меньших, чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц — электрона и позитрона.

Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает (аннигилирует), превращаясь в два вторичных гамма-кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц (0,511 МэВ). Вторичные гамма-кванты способны вызвать лишь комптон-эффект и в конечном счете фотоэффект, т. е. терять энергию только при соударениях с электронами.

Вероятность процесса образования пар увеличивается с возрастанием энергии гамма-квантов и плотности поглотителя.

Гамма-лучи высоких энергий (более 8 МэВ) могут взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в веществе.

• Закон ослабления гамма_излучения веществом. Он существенно отличается от закона ослабления потока альфа- и бета-частиц. Пучок гамма-лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины слоя поглотителя; его интенсивность не обращается в нуль ни при каких толщинах слоя поглотителя.

Это значит, что, какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность в любое заданное число раз. В этом существенное отличие характера ослабления гамма-излучения от ослабления потока альфа- и бета-частиц.

Всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором полностью поглощается поток альфа- или бета-частиц.

Закон ослабления пучка гамма- лучей имеет следующий вид: I = I0е^–μd,

где I — интенсивность пучка гамма лучей, прошедших через слой поглотителя толщиной d (см);

I₀ — интенсивность падающего пучка гамма-лучей;

е — основание натуральных логарифмов,

е = 2,72;

μ — линейный коэффициент ослабления излучения, характеризующий относительное уменьшение интенсивности пучка гамма-лучей после прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см.

Линейный коэффициент ослабления — суммарный коэффициент, который учитывает ослабление пучка гамма-лучей

за счет всех трех процессов: фотоэффекта (τф), комптон-эффекта (τк) и образования пар (τп). Таким образом,

Поскольку значение μ зависит от энергии поглощаемого пучка гамма-квантов и от материала поглотителя, то его

можно выразить через отношение μ /ρ, где ρ — плотность вещества. В этом случае коэффициент _ будет носить название массового коэффициента ослабления.

Закон ослабления может быть выражен также через слой половинного ослабления ( 1/2). Толщина поглотителя, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется вдвое, называется слоем половинного ослабления;

1/2 измеряется в единицах поверхностной плотности (мг/см2) и зависит от энергии излучения и плотности поглотителя. Между линейным коэффициентом ослабления и слоем половинного ослабления существует следующая взаимосвязь:

Зная слой половинного ослабления, можно довольно легко определить, какой нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз.

Например, один слой уменьшает интенсивность излучения в 2 раза, два слоя— в 4 раза, три слоя — в 8 раз и т. д., n слоев — в 2n раз. Следовательно, чтобы ослабить интенсивность излучения, например в 512 раз, надо взять столько слоев половинного ослабления п, чтобы 2n = 512. В нашем случае п = 9, т. е. девять слоев половинного ослабления уменьшают интенсивность излучения в 512 раз.