Взаимодействие гамма-квантов с веществом

Взаимодействие g-кванта с веществом является редким событием, что обусловливает распространение g-излучения на значительные расстояния. В точке каждого такого взаимодействия рождаются вторичные быстрые заряженные частицы (электрон или пара электрон + позитрон), которым первичное излучение передает часть своей энергии. Вторичные заряженные частицы распространяются в локальной области вокруг точки первичного взаимодействия, передавая свою энергию веществу в актах ионизации и возбуждения. Вся ионизация, связанная с передачей энергии g-квантов веществу, происходит под действием этих вторичных частиц; сами фотоны при этом выступают в роли косвенно ионизирующего излучения.

Основные процессы взаимодействия g-излучения с веществом – это фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар.

Фотоэлектрическое поглощение. При взаимодействии g-кванта с одним из электронов внутренних, наиболее сильно связанных с ядром, оболочек вся энергия может быть затрачена на вырывание электрона и сообщение ему кинетической энергии. При этом исходный фотон (g-квант) исчезает. Если энергия g-кванта Е_g, то электрон будет иметь кинетическую энергию

,

(2.3)

где Е_св – энергия связи электрона в атоме.

Вакантное место на внутренней оболочке замещается электронами внешних оболочек и сопровождается характеристическим излучением или испусканием электронов Оже (рис. 2.2). Таким образом, при фотопоглощении образуется одна или несколько непосредственно ионизирующих частиц – электронов.

Рис. 2.2. Фотопоглощение и сопутствующее излучение

Комптоновское рассеяние. Гамма-квант может взаимодействовать и с внешними слабо связанными в атоме, и со свободными электронами в веществе. При этом фотон исчезнуть не может, он рассеивается на некоторый угол (рис. 2.3) и изменяет свою энергию, а электрон приобретает энергию и производит дальнейшую ионизацию вещества. Гамма-квант может рассеяться на любой угол; в зависимости от этого угла будет и его энергия рассеяния , и энергия электрона Е_е, однако вся энергия g-кванта передана электрону быть не может.

Рис. 2.3. Комптоновское рассеяние фотона

Эффект рождения электрон-позитронных пар. В очень сильном электрическом поле вблизи ядра атома энергия может превращаться в массу в соответствии с законом сохранения массы и энергии, который отражает уравнение специальной теории относительности

.

(2.4)

Гамма-квант исчезает, и рождаются две материальные частицы: электрон и позитрон (рис. 2.4). Кинетические энергии рожденных электрона и позитрона связаны с энергией g-кванта Е_g соотношением

.

(2.5)

Рис. 2.4. Образование пары электрон-позитрон в поле ядра атома

Для электрона и позитрона значение m_ec² составляет 0.511 МэВ, поэтому пара может возникнуть только тогда, когда энергия Е_g больше 1.022 МэВ. И электроны, и позитроны, проходя через вещество, производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Замедлившийся позитрон взаимодействует с каким-либо электроном, и они аннигилируют; при этом происходит обратное превращение массы в энергию:

.

(2.6)

В точке аннигиляции рождаются два разлетающихся в противоположные стороны g-кванта с энергией по 0.511 МэВ каждый.

В особых условиях взаимодействие g-кванта с атомным ядром может вызвать ядерную реакцию и привести к выбиванию нейтрона. Такая реакция называется фотоядерной, а рождающийся в ней нейтрон – фотонейтроном. Фотоядерная реакция возможна, когда энергия g-кванта больше энергии связи нейтрона в ядре. Схема фотоядерной реакции

.

(2.7)

Примером фотоядерной реакции служит реакция на тяжелом изотопе водорода – дейтерии , которая возможна для фотонов с энергией более 2.25 МэВ.