2.2 Взаимодействие фотонного излучения с веществом

В процессе прохождения через вещество фотоны (или гамма – излучение), распространяющиеся со скоростью света, взаимодействуют в основном с электронами атомов среды и электрическим полем ядра.

При взаимодействии гамма – квантов с веществом в энергетической области 20 кэВ – 10 МэВ возникают следующие основные процессы:

фотоэлектрический эффект (фотоэффект);

Комптон - эффект;

эффект образования пар.

Фотоэффект - это взаимодействие фотонного излучения с атомами среды, при котором фотон полностью отдает свою энергию орбитальному электрону и поглощается. Часть его энергии, равная энергии связи электрона, тратится на вырывание электрона из оболочки атома, а остальная часть передается электрону в виду кинетической энергии (рис. 2.1). Электрон, вырванный таким образом из атома, называется фотоэлектроном.

Рис.2.1 Фотоэффект

Фотоэффект в основном наблюдается на электронах К и L - оболочек. После того как электроны покидают К или L - оболочку в результате фотоэффекта, их места заполняют электроны с более удаленных от ядра орбит, которые выделяют при этом энергию в виде характеристического излучения. Это излучение может вырвать внешние валентные электроны из атома. Вероятность процесса фотоэффекта преобладает в случае небольших энергий гамма – квантов и тяжелых материалов защиты (с большим Z).

Комптон-эффект – это упругое столкновение фотонного излучения с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон отдает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения (рис. 2.2). Отраженный фотон называется вторичным, или рассеянным.

Комптон-эффект является основным процессом взаимодействия фотонного излучения в диапазоне энергий (0,5-10) МэВ. С ростом энергии фотонов вероятность комптоновского рассеяния убывает.

Рис.2.2 Комптон-эффект

Образование пар - это взаимодействие фотонного излучения со средой, точнее с электрическим полем ядра, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона (рис. 2.3). Так как энергия покоя как электрона, так и позитрона равна 0,51 МэВ, то образование пар возможно лишь при энергии фотона >1,022 МэВ. Образование пар возможно только в поле ядра. Ядро в соответствии с законом сохранения импульса принимает на себя часть импульса фотона. Часть энергии фотона, превышающая 1,022 МэВ, передается электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Позитрон через короткое время сталкивается с электроном и аннигилирует с образованием двух вторичных фотонов.

Рис.2.3 Эффект образования пар

Поглощение фотонного излучения в результате образования пар наблюдается в основном на атомах тяжелых элементов. Этот процесс является преобладающим при энергии фотонов > 10 МэВ. В табл. 2.2 для алюминия и свинца приведены границы областей энергий, в которых преобладает тот или иной процесс взаимодействий.

Табл. 2.2 Границы энергетических областей, МэВ.

Вещество	Фотоэффект	Комптон - эффект	Образование пар
Алюминий Свинец	До 0,05 До 0,5	0,05 – 15 0,5 – 5,0	Более 15 Более 5