Взаимодействие гамма-излучения с веществом
Гамма-квант – это квант электромагнитного излучения с энергией 10 кэВ – 10 МэВ, испускаемый ядром. Энергетический спектр гамма-квантов, испускаемых в результате радиоактивного распада – дискретный.
Существует три вида взаимодействия гамма-квантов с веществом:
- фотоэффект;
- комптоновское рассеяние;
- образование электрон-позитронных пар.
Фотоэффект – взаимодействие, при котором гамма-кванта поглощается атомом, а его энергия почти полностью (исключая энергию связи электрона в атоме) передается наиболее связанному в атоме электрону. Далее вырванный из атома электрон расходует свою энергию на ионизацию атомов вещества, образую определенное количество свободных зарядов. Существенным является тот факт, что именно вся энергия гамма-кванта (за исключением малой ее части) передается электрону в виде кинетической энергии, а потом преобразуется в энергию свободных зарядов. Количество свободных зарядов пропорционально энергии электрона (если нет радиационных потерь), а стало быть, энергии гамма-кванта. Поэтому, измерив заряд, образовавшийся в веществе, можно определить энергию гамма-кванта.
Фотоэффект наиболее вероятен для гамма-квантов низких энергий, особенно на материалах с большим зарядом ядер (Z4). При энергии гамма-квантов ниже 0,5 МэВ вероятность фотоэффекта убывает с ростом энергии по закону Е-3, а при более высоких энергиях – по закону Е-1.
Хотя фотоэлектрическое поглощение очень эффективный процесс, приводящий к исчезновению гамма-кванта, вклад фотоэффекта во взаимодействие гамма-излучения с веществом в интересующем диапазоне энергий (0,1-10 МэВ) сравнительно невелик.
Комптоновское рассеяние происходит с наибольшей вероятностью на наименее связанном в атоме среды или свободном электроне. Этот процесс рассматривается как упругое рассеяние гамма-кванта на электроне, к которому применимы законы сохранения энергии и импульса.
Энергия, передаваемая гамма-квантом электрону (Ee), зависит от угла рассеяния гамма-кванта:
,
где
Еγ – энергия гамма-кванта до взаимодействия;
mе – масса электрона;
с – скорость света;
θ – угол между первоначальным направлением гамма-кванта и его направлением после взаимодействия (угол рассеяния).
Ясно, что информация об энергии электрона после комптоновского рассеяния, которую можно получить по количеству образованных пар свободных зарядов, не дает никакой информации о начальной энергии гамма-кванта.
Образование электрон-позитронных пар происходит в поле ядра, если энергия гамма-кванта превышает 1,022 МэВ, необходимых для образования пары электрон-позитрон. При этом гамма-квант исчезает, а оставшаяся (за вычетом 1,022 МэВ) энергия гамма-кванта передается электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Электрон и позитрон затем теряют свою энергию в среде; после этого позитрон аннигилирует, испуская два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ. Вероятность процесса образования пар пропорциональна 2. Процесс является преобладающим при очень больших энергиях гамма-излучения. Аннигилляционные гамма-кванты далее участвуют в процессах фотопоглощения и комптоновского рассеяния. Таким образом, для эффекта образования пар также невозможно получить информацию о первичной энергии гамма-кванта, измеряя ионизацию среды.
Все перечисленные процессы взаимодействия могут иметь место даже для одного гамма-кванта. Например, образовав электрон-позитронную пару, гамма-квант исчезает, позитрон аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ, из которых один комптоновски рассеивается, а другой поглощается за счет фотоэффекта.
Если энергия гамма-кванта меньше 100 кэВ, то главным процессом взаимодействия с веществом является фотоэффект. При энергии больше 100 кэВ доля рассеянных гамма-квантов увеличивается, а при энергии, большей 1,022 МэВ, начинает вносить вклад образование пар. На рис.1 представлены вероятности всех процессов в зависимости от энергии гамма-квантов.
Рис.1. Зависимость коэффициента ослабления гамма-излучения в свинце от энергии
Для защиты от фотонного излучения наиболее часто применяют вещества с большим Z: свинец, сталь, бетон, свинцовое стекло.