5.4.2 Комптоновское рассеяние γ-квантов
Кроме фотоэффекта, при котором вся энергия гамма-кванта переходит к орбитальному электрону, возможно такое взаимодействие гамма-излучения с атомами среды, при котором происходит отклонение гамма-квантов от первоначального направления на некоторый угол. Иными словами, происходит не поглощение, а рассеяние гамма-квантов вследствие их столкновения с электронами. Возможно упругое и неупругое рассеяние гамма-квантов молекулами среды.
В первом случае, характерном для мягкого электромагнитного излучения, рассеяние происходит без изменения длины волны. Если фотонное излучение имеет энергию меньше, чем энергия связи орбитального электрона в атоме, то возможно, что излучение, рассеянное одним электроном, будет интерферировать с излучением, рассеянным другим. Этот процесс называется когерентным рассеянием, он становится заметным при малых энергиях фотонов, и рассеяние происходит без вырывания электрона. При когерентном рассеянии атом в целом от фотонного излучения получает незначительную энергию. В практических задачах когерентное рассеяние не учитывается. Лишь в некоторых случаях, например, при прохождении узких пучков излучения в веществе, когерентное рассеяние может дать существенный вклад в характеристику поля излучения.
Во втором случае, характерном для жесткого рентгеновского и гамма-излучения, длина волны рассеянного фотона возрастает. Рассеяние электромагнитного излучения с изменением длины волны было открыто и детально изучено Комптоном.
Комптон-эффект – это неупругое столкновение фотонов с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает часть своей энергии электрону и рассеивается. Отраженный фотон называется вторичным или рассеянным. Комптоновское рассеяние может происходить на свободных, либо на слабо связанных (внешних) электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия фотонов во много раз превышает энергию связи электрона. В отличие от фотоэффекта комптоновское рассеяние не приводит к полному поглощению гамма-кванта.
При комптоновском
рассеянии фотон с энергией
,
взаимодействуя с электронами внешних
оболочек атома, передает часть кинетической
энергии электрону, а сам рассеивается
с меньшей энергией
(рисунок 5.14).
Рис. 5.14. Схема комптоновского рассеяния фотонов.
В результате
комптоновского рассеяния вместо
первичного фотона с энергией
появляется рассеянный фотон с энергией
и электрон с кинетической энергией
.
Выполнение законов сохранения энергии
и импульса приводит к уравнению,
связывающему энергии первичного фотона
,
рассеянного фотона
и угол рассеяния :
, (5.21)
где
– энергия покоя электрона, которая
численно равна 511 кэВ.
При малых углах рассеяния 0, энергия рассеянного фотона практически равна энергии падающего фотона, при этом энергия электрона минимальна.
При лобовом столкновении фотона и электрона ( ) электрон приобретает максимальную энергию и движется в направлении падающего фотона, а рассеянный (вторичный) фотон движется в противоположном направлении.
Вероятность
процесса комптоновского рассеяния
возрастает пропорционально концентрации
электронов в единице объема вещества,
поэтому сечение комптон-эффекта
,
где N
– число атомов в единице объема вещества.
Сечение комптоновского рассеяния
изменяется пропорционально Z/Eγ:
. (5.22)
Для веществ с малым и средним процесс комптоновского рассеяния является преобладающим для фотонов с энергией более 200 кэВ, а в области энергии фотонов около 1 МэВ данный вид взаимодействия является основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом не зависимо от .
Многократный процесс рассеяния за счет комптон-эффекта приводит, в конечном счете, к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомами среды.