9.2 Взаимодействие гамма-излучения с веществом.

Если образец горной породы подвергнуть облучению -излучением, то после прохождения лучей через породу интенсивность излучения уменьшится. При прохождении гамма-лучей через горную породу, интенсивность излучения уменьшается за счёт их взаимодействия с веществом.

Основными процессами взаимодействия -частиц с веществом являются: 1) эффект Комптоновского рассеяния; 2) фотоэлектрическое поглощение; 3) эффект образования электрон-позитронных пар.

Рис.6. Схемы процессов взаимодействия квантов с веществом.

а) комптоновское рассеивание, б) фотоэффект, в) эффект образования электрон-позитронных пар.

Общая потеря энергии гамма-квантом определяется коэффициентом ослабления .

После прохождения -лучей через слой вещества интенсивность излучения снижается до величины I , по экспоненциальному закону и может быть рассчитана по формуле:

(9.5),

где I ₀ — первоначальная интенсивность -излучения; l — толщина слоя; — полный линейный коэффициент поглощения гамма-излучения, который определится как сумма линейных коэффициентов поглощения за счёт фотоэффекта , комптон –эффекта и образованием электрон-позитронных пар. Все эти четыре параметра для различных элементов и энергии гамма квантов являются табличными данными.

Комптоновское рассеивание заключается в рассеянии -кванта на электронах атома. При соударении с электроном -квант передает ему часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления на угол (рис. 6а). При этом он теряет свою энергию . В свою очередь электрон выбрасывается из атома под углом к направлению падающего кванта

При фотоэффекте -квант взаимодействует с атомом в целом (рис.6б) и передает всю свою энергию одному из электронов его оболочки. Возникающий при этом фотоэлектрон уносит часть энергии -кванта. Наиболее интенсивное проявление фотоэффекта наблюдается в веществах, содержащих тяжёлые элементы, при облучении их -квантами малой энергии (близкой к энергии связи электрона).

Электрон-позитронные пары образуются при взаимодействии -кванта с ядром атома (рис. 36в). Образовавшийся позитрон (ядерная частица массой электрона, но положительного заряда) через короткий промежуток времени соединяется со свободным электроном, испуская два кванта аннигиляционного излучения, энергия каждого из которых равна 0,82×10^-13 Дж. Эффект образования пар возможен только для жестких -лучей с энергией, большей 1,63×10^-13 Дж.

Под воздействием фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электрон-позитронных пар энергия -излучения при прохождении через слой вещества ослабляется. . Коэффициент ослабления -излучения определяется выражением:

(9.6),

где _e — электронная плотность поглощающего вещества,

Z - атомный (порядковый) номер, А - атомная масса, N₀-число Авогадро (6,023×10²³ молекул/(г моль); _е— коэффициент ослабления -квантов энергией Е, рассчитанный на один электрон.

Электронная плотность вещества связана с объёмной плотностью вещества _п соотношением :

_{( e/ п) = 2Z/M,}

где М- относительная атомная масса.

Для элементов, составляющих большинсвто горных пород Z<30, и отношение 2Z/М близко к единице. В этом случае _{e= п} и коэффициент ослабления будет пропорционален плотности вещества. Исключение составляют ядра водорода, для которых _{( e/ п)=2. Поэтому при определении плотности пород на основе изучения интенсивности рассеянного гамма излучения необходимо учитывать водородосодержание в ней.}

Для ядер тяжёлых элементов, составляющих плотные горные породы (например магматические), существует зависимость коэффициента поглощения от порядкового номера элемента Z. Изучение энергетического спектра гамма-излучения, прошедшего через образец такой плотной породы позволяет определять содержание в ней ядер тяжёлых элементов.