5.4 Взаимодействие гамма-квантов с веществом

Механизм взаимодействия фотонов с веществом существенно отличается от взаимодействия заряженных частиц. Особенностью γ-квантов при прохождении через вещество является то, что они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т.е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность γ-квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света, а это значит, что γ-кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы. При прохождении гамма-излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка γ-квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества.

В области энергий гамма-квантов от 1 кэВ до 10 МэВ наиболее существенное значение имеют следующие процессы:

• фотоэффект;

• комптоновское рассеяние или комптон-эффект;

• эффект образование пары.

5.4.1 Фотоэффект

При фотоэффекте фотон с энергией E_ передает всю свою энергию электрону, принадлежащему одной из внутренних оболочек K, L, и т.д. Часть полученной энергии расходуется электронами на преодоление энергии связи с ядром (E_K, E_L,…), а основная часть энергии остается у высвобожденного электрона в качестве его кинетической энергии , которая равна:

, (5.19)

где – энергия падающего фотона;

– энергия связи орбитального К-, L- и т.п. электрона;

– энергия отдачи ядра.

Величина энергии отдачи ядра обычно мала (однако фотоэффект не может происходить на свободном электроне: без ядра отдачи невозможно выполнить закон сохранения импульса) и поэтому членом в уравнении (5.19) можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона будет определяться уравнением:

. (5.20)

Схематично явление фотоэффекта представлено на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема фотоэффекта.

Фотоэлектрон движется почти перпендикулярно к направлению распространения поглощенного фотона. Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято электроном с более высокой оболочки, при этом выделяется энергия в виде характеристического излучения (флуоресценции). Вместе с тем, переходить из ионизированного состояния в основное атом может и без испускания характеристического излучения, которое, в свою очередь, может вызвать внутренний фотоэффект внешних валентных электронов и вырвать их из атома. Атом может быть дважды и трижды ионизированным. Это явление впервые объяснил французский ученый Оже, поэтому оно называется эффектом Оже. А электроны, высвобожденные из атома таким образом, называется электронами Оже.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения при энергии фотонов ниже 0,5 МэВ для тяжелых атомов и ниже 50 кэВ для легких. Например, фотоэффект на атомах свинца является основным при энергии фотона ниже 600 кэВ, а на атомах алюминия ниже 60 кэВ. Для большинства атомов фотоэффект происходит с вероятностью до 80 % на электронах К‑оболочки.