Взаимодействие гамма-излучения с веществом

Гамма-излучение представляет собой поток высокоэнергетических фотонов, не обладающих массой покоя и электрическим зарядом. Энергия фотонов гамма-излучения может варьироваться от сотен кэВ до нескольких десятков МэВ. Благодаря своей высокой проникающей способности, гамма-кванты взаимодействуют с веществом иначе, чем заряженные частицы. Основные механизмы взаимодействия гамма-излучения с веществом обусловлены электромагнитной природой фотонов и включают:

  • Фотоэлектрический эффект,
  • Эффект комптоновского рассеяния,
  • Порождение пар электрон-позитрон,
  • а также менее значимые процессы, такие как рассеяние Рэлея и фотоядерные реакции при очень высоких энергиях.

Каждый из этих механизмов доминирует в определённом энергетическом диапазоне гамма-излучения и зависит от атомного номера Z вещества-мишени.

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект заключается в полном поглощении фотона атомом с последующим испусканием фотоэлектрона — электрона, выбиваемого из одной из оболочек атома.

Основные характеристики:

  • Преобладает при низких энергиях фотонов (до нескольких сотен кэВ).
  • Вероятность эффекта резко возрастает с увеличением атомного номера вещества: σф ∼ Zn/E3,  4 < n < 5
  • Фотоэлектрон уносит кинетическую энергию: Ek = hν − Eb где hν — энергия фотона, Eb — энергия связи электрона с ядром.

Явления после эффекта:

  • Возникновение рентгеновского излучения или автоионных электронов при переходе оставшегося атома в основное состояние.
  • Преимущественное выбивание электронов с внутренних оболочек, особенно K- и L-оболочек.

Комптоновское рассеяние

Комптоновское (неупругое) рассеяние — это процесс взаимодействия гамма-кванта со слабо связанным или свободным электроном, в результате которого происходит рассеяние фотона и отдача электрона.

Формула Комптона:

$$ \lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos \theta) $$

где λ, λ′ — длины волн до и после рассеяния, θ — угол рассеяния, me — масса электрона.

Особенности:

  • Доминирует в среднем энергетическом диапазоне (от ~200 кэВ до нескольких МэВ).
  • Энергия рассеянного фотона и электрона определяется углом рассеяния.
  • Сечение обратно пропорционально энергии фотона: $\sigma_{\text{К}} \sim \frac{Z}{E}$

Спектральные признаки:

  • Наличие комптоновского плато в энергетических спектрах детекторов.
  • Энергия отдачного электрона: Ee = hν − hν′

Комптоновское рассеяние важно в радиационной дозиметрии, медицинской диагностике и при анализе спектров гамма-излучения.

Образование пар электрон-позитрон

Этот процесс становится возможным, когда энергия фотона превышает удвоенную массу покоя электрона:

hν > 2mec2 ≈ 1, 022 МэВ

Механизм:

  • Фотон вблизи атомного ядра превращается в электрон и позитрон.
  • Избыточная энергия передается как кинетическая энергия пары.
  • Поскольку закон сохранения импульса должен соблюдаться, образование пар невозможно в пустоте — необходима близость ядра или электрона.

Зависимость сечения:

  • Сечение возрастает с увеличением энергии: σпара ∼ Z2 ⋅ ln (E)

Связанные явления:

  • Аннигиляция позитрона с электроном с образованием двух фотонов по 511 кэВ.
  • Важное значение в астрофизике и при использовании гамма-источников высокой энергии.

Рассеяние Рэлея (упругое когерентное рассеяние)

Это упругое рассеяние фотона на всём атоме без изменения его энергии. Не приводит к ионизации вещества.

Особенности:

  • Вероятность значительна при низких энергиях (до 100 кэВ).
  • Сечение пропорционально Z2, но значительно меньше по сравнению с фотоэффектом и комптоновским рассеянием.
  • Имеет значение при точных калибровках детекторов и в медицине (например, в маммографии).

Фотоядерные реакции

При энергиях фотонов выше нескольких МэВ возможно поглощение гамма-кванта ядром с последующим возбуждением и испусканием нуклонов или лёгких частиц.

Примеры:

  • (γ, n) — испускание нейтрона,
  • (γ, p) — испускание протона,
  • (γ, α) — испускание альфа-частицы.

Особенности:

  • Являются ядерными реакциями и могут служить источником нейтронов.
  • Энергетический порог — обычно 5–10 МэВ.
  • Применяются в ядерной физике, астрофизике и при изучении свойств ядер.

Энергетическая зависимость механизмов взаимодействия

Энергетический диапазон, в котором доминирует тот или иной процесс:

Энергия фотонов Доминирующий процесс
< 100 кэВ Фотоэффект
100 кэВ – 1 МэВ Комптоновское рассеяние
> 1,022 МэВ Образование пар
> 5 МэВ Фотоядерные реакции возможны

Также важна роль атомного номера вещества: чем выше Z, тем значительнее вклад фотоэффекта и образования пар.

Толщина поглощения и пробег фотонов

Характер взаимодействия фотонов с веществом описывается законом экспоненциального ослабления:

I(x) = I0e−μx

где:

  • I0 — начальная интенсивность,
  • x — толщина слоя,
  • μ — линейный коэффициент ослабления,
  • μm = μ/ρ — массовый коэффициент ослабления.

Общее сечение взаимодействия складывается из частных:

μ = μф + μК + μпара

Полупробег (толщина половинного ослабления):

$$ x_{1/2} = \frac{\ln 2}{\mu} $$

Эти параметры определяют защитные свойства материалов и необходимы при расчёте экраниров.

Практические применения

  1. Радиоизотопная диагностика и терапия — учёт различных механизмов взаимодействия позволяет рассчитывать дозы и выбирать защитные материалы.
  2. Спектроскопия гамма-излучения — анализ комптоновских плато, пиков полного поглощения, аннигиляционных пиков.
  3. Дозиметрия и радиационная безопасность — использование параметров ослабления для расчёта защиты.
  4. Физика высоких энергий и астрофизика — учет процессов рождения пар и фотоядерных реакций при описании процессов в звёздах и космосе.

Зависимость от материала и энергии

Рассмотрим пример: для гамма-квантов энергии 0,5 МэВ:

  • В углероде (Z=6) доминирует комптоновское рассеяние.
  • В свинце (Z=82) вклад фотоэффекта всё ещё велик.
  • При энергии >2 МэВ в тяжёлых элементах начинают преобладать процессы образования пар.

Следовательно, выбор материала экрана зависит не только от плотности, но и от атомного номера и энергетического спектра излучения.

Оглавление