Гамма-излучение и его свойства.

Кванты рентгеновского и гамма-излучения, имеющие одинаковую длину волны или частоту, абсолютно одинаковы по всем параметрам. Напоминаем, что их отличает только происхождение: рентгеновское излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с электронами вещества, а гамма-излучение – результат процессов, происходящих в ядрах атомов.

Все, что происходит в атоме за пределами атомного ядра – это проявления электромагнитного взаимодействия. В атомных ядрах происходят процессы гораздо более высокого энергетического уровня, характерные для сильного и слабого ядерных взаимодействий. Даже побочные продукты внутриядерных процессов – это жесткое гамма-излучение, с энергией квантов, часто превосходящей 1 МэВ.

При энергии квантов электромагнитного излучения hu³1,022 МэВ, может происходить процесс взаимодействия излучения с веществом, немыслимый в классической физике – процесс образования электронно-позитронных пар:

(7)

Позитрон - античастица по отношению к электрону - был предсказан Полем Дираком в 1931 году. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительный заряд.

Используя формулу Эйнштейна E=mc², можно представлять массы частиц в энергетических единицах. Для электрона это m_e = 0,511 МэВ. Такова же и масса позитрона. Следовательно, превращение (7) можно обсуждать как реальную возможность, если выполнено условие:

hu ³ 0,511 + 0,511 = 1,022 МэВ.

Оказалось, что эта возможность реализуется. Образование электронно-позитронных пар происходит, если квант с энергией hu>1,022МэВ оказывается в поле атомного ядра, т.е. можно сказать, при столкновении кванта с ядром.

Первичный γ-квант с энергией, превосходящей пороговое значение 1,022МэВ, расходует ее на образование электронно-позитронной пары, а все излишки энергии реализуются как кинетическая энергия электрона и позитрона: избыточная энергия делится между ними поровну.

Чем больше энергия γ-квантов, тем больше становится вероятность процесса образования пар. Вероятность альтернативного процесса – комптоновского рассеяния – постепенно уменьшается. При энергии первичных γ-квантов hu>2 МэВ процесс образования пар является преобладающим.

Позитрон, потеряв при торможении в веществе всю свою кинетическую энергию, прекращает свое существование. Происходит аннигиляция – слияние позитрона с одним из медленных электронов, приводящее к их взаимному уничтожению и к возникновению двух квантов с энергией по 0,511 МэВ, имеющих строго противоположные направления:

Закон ослабления излучения в веществе (закон Бугера (5)) справедлив лишь для узких пучков гамма-лучей, в которых любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из первичного пучка. Однако при высоких значениях энергии гамма-квантов процесс их прохождения через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны, обладая большой энергией, могут, в свою очередь создавать рентгеновское излучение благодаря процессам торможения и аннигиляции. Таким образом, при высокой энергии первичных гамма-квантов, в веществе возникают каскадные ливни – ряд чередующихся поколений вторичных гамма-квантов, электронов и позитронов. В зоне развития ливня численность ионизирующих частиц, вопреки логике закона Бугера, возрастает.

С ростом глубины проникновения в вещество, число вторичных частиц в каскадном ливне сначала растет, достигает максимума, затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц, и ливень затихает.