Пороги фотоядерных реакций для изотопов некоторых химических

элементов Таблица 1.1.3.1

Изотоп	Порог реакции, МэВ	Изотоп	Порог реакции. МэВ
6Li 9Be 13C 25Mg 29Si 57Fe 65Cu 67Zn 82Se	5,35 1,67 4,95 7,25 8,45 7,75 10,00 7,00 9,80	91Zr 93Nb 97Mo 113Cd 118Sn 133Cs 181Ta 184W 208Pb 209Bi	7,20 8,70 7,10 6,50 9,10 9,05 7,60 6,25-7,15 7,40 7,40

Максимальные значения сечений фотоядерной реакции для ряда

химических элементов Таблица 1.1.3.2

Химический элемент	Максимальное сечение, барн	Химический элемент		Максимальное сечение, барн
Be	0.002	Мо		0.240
С	0,013	РЬ		0.850
Me	0.012	Bi		0.940
Мn	0,081	Zn		0.102
Fe	0.074	Со		0.125
Сu	0,100

1.2. Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие так же как и ядерное взаимо­действие относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно и слабее ядерного. Переносчиками этого взаимодействия являются кванты электромагнитного излучения, которые в зависи­мости от их происхождения и энергии называют фотонами, рентгено­вским излучением, -квантами, а также радиоволнами. Кванты элек­тромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем. Оценка интенсивности электромагнитного взаимодействия показы­вает, что оно в 10² - 10³ раз слабее ядерного и процессы так называ­емого электромагнитного распада протекают в 10² - 10³ раз медлен­нее ядерных процессов [23].

1.2.1. Взаимодействие гамма-излучения

В предыдущем параграфе был рассмотрено взаимодействие с веществом -излучения с энергией более 10 МэВ, сопровождающее­ся протеканием ядерных реакций типа (,n), (,p) и (,). В области энергий -квантов в пределах от 0,01 до 0,5 МэВ преобладающим видом взаимодействия являетсяфотоэлектрическое поглощение или фотоэффект, а также рассеяние -излучения [24].

Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия -кванта с атомом вещества, при котором одному из электронов пере­дается вся энергия-кванта. При этом электрон выбивается за пределы атома с кинетической энергией:

, (1.2.1.1)

где Е_у - энергия -кванта;- потенциал ионизацииi-й оболочки ато­ма.

Согласно модели Бора электроны, окружающие ядро атома, рас­полагаются в определенном порядке по концентрическим оболочка K,L,M,N и.т.д., составляющим определенные энергетические уровни (рис. 1.2.1.1).

Фотоэффект возможен на связанном с атомом электроне и только в том случае, когда энергия -квантаЕ_у превосходит величину потенциала ионизации этой электронной оболочки . Следовательно, если Е_у <I_К, то фотоэффект возможен только на L-, М-, N-, ... оболочках и невозможен на K-оболочке. В случае, когда Е_у <I_L, то фотоэффект возможен лишь на М-, N-, ... и т.д. электронных оболочках и невоз­можен на К- и L-оболочках и т.д.

M-оболочка

Рис. 1.2.1.1. Модель атома и схема основных переходов для К- и L-серий характеристического рентгеновского излучения

Вероятность фотоэффекта характеризуется атомным коэффици­ентом фотопоглощения, который представляет собой относитель­ное ослабление пучка -лучей сечением 1 см², приходящееся на один атом вещества. Зависимость атомного коэффициента фотопоглоще­ния от энергии -квантов и атомного номераZ определяется законом Ионссона, и с некоторым приближением его можно выразить форму­лой

, (1.2.1.2)

где С - постоянная, меняющаяся скачкообразно при переходе энергии фотонов через значения потенциалов ионизации электронных обо­лочек атома; - длина волны фотонов, которую можно определить

по формуле:

, (1.2.1.3)

Однако для более точных расчетов используют формулы Вальтера

, при λ < λ_{K ,}

, при λ_K < λ < λ_L1 , (1.2.1.4)

где λ_K и λ_L1 - длина волны, соответствующая К- и L-краям погло­щения вещества с атомным номером Z; к- длина волны фотонов. Итак, чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энер­гией-кванта, тем менее вероятен фотоэффект. При малыхZ элект­роны легких элементов связаны кулоновскими силами ядра слабее, чем в тяжелых элементах. Поэтому фотоэффект особенно существе­нен для тяжелых элементов, где он идет с заметной вероятностью даже при высоких энергиях -квантов, а для легких элементов он ста­новится заметным только при относительно небольших энергиях-квантов. Сечение фотоэффекта на электронахK-оболочки можно подсчитать с помощью формул:

(1.2.1.5)

Это обстоятельство определяет все основные свойства фотоэф­фекта: ход сечения с энергией, соотношение вероятностей фотоэф­фекта на разных электронных оболочках и зависимость сечения от заряда среды.

На рис. 1.2.1.2 изображен ход сечения фотоэффекта с энергией -кван­тов.

Рис 1.2. 1.2. Ход сечения фотоэффекта с ростом энергии -квантов.

Приведенная зависимость показывает, что при больших энергиях -квантов (для которых все электроны связаны) сечение мало. Уменьшение энергииЕ_у приводит к росту сечения, сначала по закону 1/E_y а затем по мере приближения E_y, к потенциалу ионизации K-оболочки I_К по более сильному закону (1/E_y)^7/2.

Рост сечения продолжается до тех пор, пока Е_у не станет равной I_К. При Е_y< I_К фотоэффект на K-оболочке становится невозможным, и сечение фотоэффекта определяется только взаимодействием -кванов с электронами последующихL-, М-,... оболочек. Электроны этих оболочек связаны с атомом слабее, чем электроны K-оболочки, по­этому при равных энергиях -квантов вероятность фотоэффекта элек­трона сL-оболочки и тем более с M-оболочки существенно меньше, чем с K-оболочки. В связи с этим на кривой сечения при Е_у = I_К наблюдается резкий скачок.

При Е_у < 1_К сечение фотоэффекта начинает расти снова, т.к. опять возрастает относительная связность электрона Рост прекра­щается приЕ_у = I_L, где наблюдается новый резкий скачок сечения, и т.д. Характерные точки разрыва при I_K,I_L, I_M на рис. 1.2.1.2 называют­ся краями поглощения и определяются значением энергии связи со­ответствующей оболочки. Относительный вклад в сечение фотоэф­фекта на L-, М- и других оболочках невелик. Расчет дает для отно­шения сечений фотоэффекта на разных оболочках значения:

В табл. 1.2.1.1 приведены энергии K-краев поглощения для ряда хи­мических элементов, которые свидетельствуют о том, что фото­ны энергией от 1 до 3 кэВ имеют низкую проникающую способность.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения мягкого -излучения в тяжелых веществах. Массовый коэффициент ослабле­ния-квантов в результате фотоэлектрического поглощения для од-нокомпонентных и многокомпонентных веществ определяется соот­ветственно формулами

(1.2.1.6)

, (1.2.1.7)

где - соответственно порядковый номер, относительная атомная масса и массовая доляi-элемента; суммирование в уравнении (1.2.1.7) проводится по всем элементам, входящим в состав изуча­емого вещества.