Определение коэффициентов ослабления потока γ-лучей в металлах

Цель работы: Проверка закона ослабления интенсивности γ-лучей при прохождении через поглощающее вещество, определение линейных коэффициентов поглощения, оценка энергии γ-лучей, испускаемых источником.

Принадлежности: источник γ-излучения Co⁶⁰, блок детектирования, счётный прибор, высоковольтный блок питания, набор металлических поглотителей.

Теоретическое введение

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны от 10^-3 Å до 1 Å, испускаемое атомными ядрами при их переходе из возбуждённого состояния в основное или менее возбуждённое. В каждом акте перехода ядро излучает γ-квант с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ. В связи с дискретностью энергетических уровней ядра γ-излучение имеет линейчатый спектр, частоты γ-квантов связаны с разностью энергий состояния ядра условием частот Бора, как и для излучения фотонов атомами:

ħω = W₂ – W₁ (1)

Проходя через вещество, пучок γ-квантов постоянно ослабляется. Ослабление потока γ-лучей происходящее при прохождении среды, характеризуется коэффициентом линейного ослабления μ, связано с тремя процессами: фотоэлектрическим поглощением, комптоновским рассеянием и генерацией электронно-позитронных пар.

Фотоэлектрическое поглощение. При столкновении γ-квантов с электронами внутренних оболочек атомов происходит фотоэффект, при котором вырывается электрон и поглощается γ-квант. Освободившееся после вылета электрона место заполняется одним из электронов с вышележащих оболочек. При таких переходах возникает характеристическое рентгеновское излучение. Фотоэффект может идти только на сильно связанных электронах, свободные электроны не могут поглощать γ-кванты. Расчёты показывают, что фотоэлектрическое поглощение существенно при энергиях γ-квантов W 0,5 МэВ.

Комптоновское рассеяние. По мере увеличения энергии γ-кванта его взаимодействие с электронами оболочек все более приближается по своему характеру к взаимодействию его со свободными электронами, т. е. к комптоновскому рассеянию γ-квантов на электронах. Комптоновским рассеянием называется упругое столкновение γ-квантов со свободными или слабо связанными электронами вещества, сопровождающееся увеличением длины волны рассеянного коротковолнового излучения. При таком столкновении γ-квант передаёт электрону отдачи часть своей энергии, величина которой определяется углом рассеяния. Эффект Комптона приводит не к поглощению γ-квантов, а к их рассеянию и уменьшению их энергии. Часть из этих рассеянных γ-квантов выходит из вещества.

Образование электронно-позитронных пар. При энергиях, превышающих 2m₀c²=1,02МэВ, становится возможен процесс поглощения γ-лучей, связанный с образованием электронно-позитронных пар. Рождение пар происходит в электрическом поле ядер. При этих энергиях фотоэффект не играет практически никакой роли, а вероятность образования пар сравнивается с вероятностью комптоновского рассеяния.

Полный линейный коэффициент ослабления пучка γ-квантов можно считать равным сумме коэффициентов всех трёх рассмотренных процессов:

μ = μ_ф+μ_к+μ_п (2)

Если исследуется прохождение сквозь вещество узкого параллельного пучка γ-лучей, то не только фотоэлектрическое поглощение и генерация пар, но и комптоновское рассеяние выводят γ-кванты из пучка. Поэтому меняется только количество, но не энергия γ-квантов в пучке, так что коэффициент μ не зависит от длины пути l.

Обозначим через -dN число γ-квантов, выбывших из пучка на пути dl. Это число пропорционально имеющемуся числу N, и пройденному пути dl:

-dN=μNdl (3)

Интегрируя это выражение от нулевой толщины до заданной, получим:

N=N₀e^-μl (4)

Таким образом, для определения коэффициента ослабления нужно измерить толщину образцов l, число падающих частиц N₀ и число частиц N, проходящих через образец.

Зависимости линейных коэффициентов поглощения от энергии γ-квантов для различных материалов представлены на рис.1.