Пороги фотоядерных реакций для изотопов некоторых химических

элементов Таблица 1.1.3.1

Изотоп	Порог реакции, МэВ	Изотоп	Порог реакции. МэВ
^6Li ^9Be ^13C ^25Mg ^29Si ^57Fe ^65Cu ^67Zn ^82Se	5,35 1,67 4,95 7,25 8,45 7,75 10,00 7,00 9,80	^91Zr ^93Nb ^97Mo ^113Cd ^118Sn ^133Cs ^181Ta ^184W ^208Pb ^209Bi	7,20 8,70 7,10 6,50 9,10 9,05 7,60 6,25-7,15 7,40 7,40

Максимальные значения сечений фотоядерной реакции для ряда

химических элементов Таблица 1.1.3.2

Химический элемент	Максимальное сечение, барн	Химический элемент		Максимальное сечение, барн
Be	0.002	Мо		0.240
С	0,013	РЬ		0.850
Me	0.012	Bi		0.940
Мn	0,081	Zn		0.102
Fe	0.074	Со		0.125
Сu	0,100

1.2. Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие так же как и ядерное взаимо­действие относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно и слабее ядерного. Переносчиками этого взаимодействия являются кванты электромагнитного излучения, которые в зависи­мости от их происхождения и энергии называют фотонами, рентгено­вским излучением, -квантами, а также радиоволнами. Кванты элек­тромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем. Оценка интенсивности электромагнитного взаимодействия показы­вает, что оно в 10² - 10³ раз слабее ядерного и процессы так называ­емого электромагнитного распада протекают в 10² - 10³ раз медлен­нее ядерных процессов [23].

1.2.1. Взаимодействие гамма-излучения

В предыдущем параграфе был рассмотрено взаимодействие с веществом -излучения с энергией более 10 МэВ, сопровождающее­ся протеканием ядерных реакций типа (,n), (,p) и (,). В области энергий -квантов в пределах от 0,01 до 0,5 МэВ преобладающим видом взаимодействия являетсяфотоэлектрическое поглощение или фотоэффект, а также рассеяние -излучения [24].

Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия -кванта с атомом вещества, при котором одному из электронов пере­дается вся энергия-кванта. При этом электрон выбивается за пределы атома с кинетической энергией:

, (1.2.1.1)

где Е_у - энергия -кванта;- потенциал ионизацииi-й оболочки ато­ма.

Согласно модели Бора электроны, окружающие ядро атома, рас­полагаются в определенном порядке по концентрическим оболочка K,L,M,N и.т.д., составляющим определенные энергетические уровни (рис. 1.2.1.1).

Фотоэффект возможен на связанном с атомом электроне и только в том случае, когда энергия -квантаЕ_у превосходит величину потенциала ионизации этой электронной оболочки . Следовательно, если Е_у <I_К, то фотоэффект возможен только на L-, М-, N-, ... оболочках и невозможен на K-оболочке. В случае, когда Е_у <I_L, то фотоэффект возможен лишь на М-, N-, ... и т.д. электронных оболочках и невоз­можен на К- и L-оболочках и т.д.

M-оболочка

Рис. 1.2.1.1. Модель атома и схема основных переходов для К- и L-серий характеристического рентгеновского излучения

Вероятность фотоэффекта характеризуется атомным коэффици­ентом фотопоглощения, который представляет собой относитель­ное ослабление пучка -лучей сечением 1 см², приходящееся на один атом вещества. Зависимость атомного коэффициента фотопоглоще­ния от энергии -квантов и атомного номераZ определяется законом Ионссона, и с некоторым приближением его можно выразить форму­лой

, (1.2.1.2)

где С - постоянная, меняющаяся скачкообразно при переходе энергии фотонов через значения потенциалов ионизации электронных обо­лочек атома; - длина волны фотонов, которую можно определить

по формуле:

, (1.2.1.3)

Однако для более точных расчетов используют формулы Вальтера

, при λ < λ_{K ,}

, при λ_K < λ < λ_L1 , (1.2.1.4)

где λ_K и λ_L1 - длина волны, соответствующая К- и L-краям погло­щения вещества с атомным номером Z; к- длина волны фотонов. Итак, чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энер­гией-кванта, тем менее вероятен фотоэффект. При малыхZ элект­роны легких элементов связаны кулоновскими силами ядра слабее, чем в тяжелых элементах. Поэтому фотоэффект особенно существе­нен для тяжелых элементов, где он идет с заметной вероятностью даже при высоких энергиях -квантов, а для легких элементов он ста­новится заметным только при относительно небольших энергиях-квантов. Сечение фотоэффекта на электронахK-оболочки можно подсчитать с помощью формул:

(1.2.1.5)

Это обстоятельство определяет все основные свойства фотоэф­фекта: ход сечения с энергией, соотношение вероятностей фотоэф­фекта на разных электронных оболочках и зависимость сечения от заряда среды.

На рис. 1.2.1.2 изображен ход сечения фотоэффекта с энергией -кван­тов.

Рис 1.2. 1.2. Ход сечения фотоэффекта с ростом энергии -квантов.

Приведенная зависимость показывает, что при больших энергиях -квантов (для которых все электроны связаны) сечение мало. Уменьшение энергииЕ_у приводит к росту сечения, сначала по закону 1/E_y а затем по мере приближения E_y, к потенциалу ионизации K-оболочки I_К по более сильному закону (1/E_y)^7/2.

Рост сечения продолжается до тех пор, пока Е_у не станет равной I_К. При Е_y< I_К фотоэффект на K-оболочке становится невозможным, и сечение фотоэффекта определяется только взаимодействием -кванов с электронами последующихL-, М-,... оболочек. Электроны этих оболочек связаны с атомом слабее, чем электроны K-оболочки, по­этому при равных энергиях -квантов вероятность фотоэффекта элек­трона сL-оболочки и тем более с M-оболочки существенно меньше, чем с K-оболочки. В связи с этим на кривой сечения при Е_у = I_К наблюдается резкий скачок.

При Е_у < 1_К сечение фотоэффекта начинает расти снова, т.к. опять возрастает относительная связность электрона Рост прекра­щается приЕ_у = I_L, где наблюдается новый резкий скачок сечения, и т.д. Характерные точки разрыва при I_K,I_L, I_M на рис. 1.2.1.2 называют­ся краями поглощения и определяются значением энергии связи со­ответствующей оболочки. Относительный вклад в сечение фотоэф­фекта на L-, М- и других оболочках невелик. Расчет дает для отно­шения сечений фотоэффекта на разных оболочках значения:

В табл. 1.2.1.1 приведены энергии K-краев поглощения для ряда хи­мических элементов, которые свидетельствуют о том, что фото­ны энергией от 1 до 3 кэВ имеют низкую проникающую способность.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения мягкого -излучения в тяжелых веществах. Массовый коэффициент ослабле­ния-квантов в результате фотоэлектрического поглощения для од-нокомпонентных и многокомпонентных веществ определяется соот­ветственно формулами

(1.2.1.6)

, (1.2.1.7)

где - соответственно порядковый номер, относительная атомная масса и массовая доляi-элемента; суммирование в уравнении (1.2.1.7) проводится по всем элементам, входящим в состав изуча­емого вещества.