Ефект Комптона

При взаємодії -кванта з вільним електроном відбувається його розсіяння на кут  від початкового напряму поширення та часткова втрата енергії, яка передається електронові. Встановлено, що втрата енергії -квантом при такому розсіянні не залежить від його початкової енергії і визначається кутом розсіяння . Енергія розсіяного -кванта E_‘ обчислюється за формулою Комптона:

. (3.5)

Інтегральна величина коефіцієнта розсіяння  у розрахунку на один електрон у найзагальнішому випадку визначається формулою Кляйна-Нішини:

, (3.6)

де r₀ – класичний радіус електрона;  __ енергії падаючого та розсіяного -квантів відповідно.

Співвідношення (3.6.) спрощується для певних умов взаємодії -квантів з центром розсіяння. Якщо E_m_ec², то цей вираз набуде вигляду

. (3.7)

З огляду на складність вимірювання величини кута розсіяння у випадку інтегральних експериментів, це співвідношення може бути перетворене до вигляду, в якому величина  відсутня:

; (3.8а)

. (3.8б)

Як видно з формули (3.8а), спостерігається пряма залежність величини від заряду ядра та обернена від енергії -квантів, що вказує на переважання цього процесу в області малих та середніх (до 3 МеВ) енергій -квантів. Проте енергетичний діапазон, в якому істотними є ефекти розсіяння -квантів на електронах, ширший, ніж відповідний енергетичний діапазон для фотоефекту.

Ефект утворення пар

При поширенні в речовині -квантів, енергія яких перевищує подвійну величину енергії спокою електрона, спостерігається процес утворення пари елементарних частинок – електрона та позитрона. Іншою необхідною умовою цього процесу є наявність кулонівського поля іншої частинки, в якому цей процес відбувається. Енергія -кванта витрачається на створення пари електрон-позитрон, надання кінетичної енергії їм та частинці, в полі якої відбувся процес. Найімовірнішим є утворення пар у полі ядра атома. При цьому порогова енергія утворення пари становить 2m_ec². Менш імовірним є процес у полі електрона, для якого порогова енергія становить 4m_ec².

Залежність коефіцієнта поглинання , що відповідає ефектові утворення пар, для випадку подається у вигляді

. (3.9a)

А для енергій -квантів, для яких виконується умова цей вираз має вигляд

. (3.9б)

У загальному залежність величини  та її складових можна проілюструвати за допомогою графіка, зображеного на рис.3.1.

Важливим фактом, який добре ілюструє цей графік, є те, що для пучка моноенергетичних -квантів одночасно дають помітний внесок у його послаблення не більше двох зі згаданих процесів поглинання і розсіяння: для малих енергій -квантів (E_ < 1МеВ) – це фотоефект та ефект Комптона, а для великих (E_>10МеВ) – лише процес утворення пар. Для проміжних значень енергії -квантів найбільший внесок дає процес комптонівського розсіяння на електронах речовини поглинача.

Рис.3.1. Енергетична залежність коефіцієнтів поглинання та розсіювання

-квантів для свинцю

Визначення лінійного коефіцієнта послаблення проводиться на установці, в якій використано джерело іонізуючого випромінювання, що дає вузький і майже паралельний пучок -квантів. На шляху між джерелом та газорозрядним лічильником, який знаходиться в свинцевому будиночку з вузьким вхідним отвором, встановлюється різна (щораз більша) кількість однакових пластинок поглинача. Отримують залежність швидкості лічби від товщини поглинача, яка для монохроматичного -випромінювання в напівлогарифмічних координатах має вигляд прямої, тангенс кута нахилу котрої до осі абсцис дорівнює лінійному коефіцієнтові послаблення -променів .