Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

Взаимодействие электромагнитного, т.е. рентгеновского и γ-излучения с веществом может иметь четыре механизма: когерентное рассеяние, некогерентное рассеяние или эффект Комптона, фотоэффект и процесс образования пар электрон-позитрон. В отдельных случаях γ-фотоны с очень высокой энергией могут вызвать фотоядерную реакцию, при которой ядро поглощает γ-квант и испытывает радиоактивный распад.

При взаимодействии с веществом одновременно работают все четыре механизма, приводящие к ионизации и возбуждению атомов среды. Однако, вклад этих механизмов в протекание первичных процессов зависит от энергии ε = hν квантов электромагнитного излучения.

Когерентное рассеяние возникает, если ε = hν < А _i. При этом, вещество излучает электромагнитные волны той же длины, что и поглощённые.

Фотоэффект: ε = hν ≥ А_i – внутренний электрон атома полностью поглощает квант электромагнитного излучения и покидает атом с некоторой скоростью : . После этого возникает характеристическое рентгеновское излучение. Этот процесс в биотканях характерен для квантов с ε < 0,1 МэВ. Вылетевшие из атома электроны могут производить в биотканях вторичную ионизацию.

Эффект Комптона наиболее вероятен для квантов с энергией ε ~ 1 ÷ 2 МэВ. Некогерентное рассеяние обусловлено взаимодействием квантов электромагнитного излучения hν с внешними слабо связанными с ядром электронами. В результате, часть энергии кванта передаётся этому электрону, и он покидает атом со скоростью . Кроме того, рождается новый квант электромагнитного излучения hν ^' с меньшей энергией – . Изменение длины волны излучения определяется формулой Комптона:

. (11)

Возможны вторичные эффекты ионизации и возбуждения под воздействием квантов и выбитого электрона.

Образование электрон-позитронных пар возможно только для квантов с энергией не менее удвоенной энергии покоя β-частиц. Т.к. Е_0,β = 0,51МэВ, то ε ≥ 1,02 МэВ. Однако, реально в тканях этот процесс будет иметь преобладающее значение при энергии квантов ε ~10 МэВ. И в этом случае возможны вторичные эффекты ионизации и возбуждения атомов вещества.

Учитывая, что рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с λ = 10^-4 ÷ 80 нм и ε = 20 эВ ÷ 1 МэВ, то для него преобладающим при взаимодействии будет когеретное рассеяние, фотоэффект и эффект Комптона.

γ-излучение имеет λ = 10^-5 ÷ 10^-1нм и ε = 0,20 ÷ 3,0 МэВ – т.е. для γ-излучения будут иметь место процессы фотоэффекта, некогерентного рассеяния и образования электрон-позитронных пар.

В целом, электромагнитное излучение в воздухе имеет длину пробега порядка сотен метров, и на всем пути образуется всего от 10 до 250 пар ионов. В жидкостях и тканях пробег электромагнитного излучения составляет десятки сантиметров, и даже метры.

Ослабление пучка рентгеновского и γ-излучения описывается экспоненциальным законом, причём линейный коэффициент поглощения для рентгеновского излучения: , а для γ-излучения: в законе . Величины μ_к, μ_н, μ_ф и μ_а определяют вклад когерентного и некогерентного рассеяния, явления фотоэффекта и аннигиляции в значение коэффициента поглощения μ. Для γ-излучения высоких энергий этот закон выполняется весьма приблизительно, т.к. не учитывает вторичных эффектов: аннигиляцию родившихся пар и возникновение новых γ-квантов.