Взаимодействие g - лучей с веществом

Подобно заряженным частицам (и в отличие от нейтронов), пучок g - квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий. Однако механизм этого поглощения существенно иной. На это есть две причины. Во-первых, g- кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Поэтому g - кванты при прохождении через вещество 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 g- квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света. А это значит, что g- кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы.

При рассмотрении механизма прохождения g- излучения через вещество нельзя ограничиться классическими волновыми представлениями об излучении, а приходится учитывать квантовую, корпускулярную природу света. Квантовые свойства становятся важными потому, что длина волны g- кванта значительно меньше расстояний между атомами и между электронами.

Поглощение g- излучения веществом в основном происходит за счет трех процессов: а) фотоэффекта; б) комптон-эффекта; в) рождения электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом поглощает g- квант и испускает электрон. С достаточной для практических приложений точностью можно считать, что каждый квант поглощается одним атомным электроном.

Основные особенности фотоэффекта связаны с тем, что свободный электрон не может поглотить фотон из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. Отсюда следует, что фотоэффект наиболее интенсивно будет идти для g- квантов с энергиями, сравнимыми с энергиями связи электронов в атомах. Энергия связи электрона в атоме тем больше, чем глубже электронная оболочка и чем больше атомный номер Z. Поэтому фотоэффект идет, во-первых, в основном с низшей, т.е. с К-оболочки, а во-вторых, тем интенсивней, чем больше средний атомный номер Z вещества. Вероятность фотоэффекта быстро падает с увеличением энергии g- квантов и очень сильно зависит от атомного номера. При фотоэлектрическом поглощении g- лучей с помощью экранов существенно, поэтому иметь в составе защиты элементы с большим Z, например свинец.

Комптоновским рассеянием (или комптон-эффектом) называется упругое столкновение g- кванта с электроном. При таком столкновении g-квант передает электрону часть своей энергии, величина которой определяется углом рассеяния.

В отличие от фотоэффекта, который может идти только на сильно связанных электронах, комптоновское рассеяние может происходить и на свободных электронах. При малых энергиях g-квантов их поглощение определяется главным образом фотоэффектом, и комптоновское рассеяние не играет существенной роли. Роль комптон-эффекта становится существенной только тогда, когда энергия квантов становится много больше энергии связи электронов в атоме. Атомные электроны в этом случае можно считать практически свободными, что обычно и делается при теоретическом анализе.

Процесс рождения электронно-позитронных пар в поле ядра состоит в том, что квант поглощается, а рождаются и вылетают электрон и позитрон. При этом ядро получает некоторый импульс отдачи. Согласующийся с опытом квантово-электродинамический расчет показывает, что поглощение фотона и рождение пары происходит не внутри ядра, а около него в области, имеющей размер порядка комптоновской длины волны электрона. Передача импульса отдачи ядру происходит через посредство его кулоновского поля. Без передачи импульса постороннему телу превращение фотона в электронно-позитронную пару запрещено законами сохранения энергии-импульса.

Так как масса покоя фотона равна нулю, то превратиться в пару он может, только имея энергию больше суммы энергий покоя электрона и позитрона 2mc² = 1,02 МэВ. Поскольку вероятность фотоэффекта и комптон-эффекта в области высоких энергий спадают практически до нуля, то рождение пар становится здесь основным механизмом поглощения g- излучения. Вероятность образования пар приблизительно пропорциональна Z².

Для g-квантов не существует понятий пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу длины. При прохождении пучка g-квантов через вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка.