Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Дать определения плотности тока и плотности потока частиц.

2. Какие процессы возможны при взаимодействии тяжелых заряженных частиц с веществом?

3. Какие процессы возможны при взаимодействии легких заряженных частиц с веществом?

4. Какие процессы возможны при взаимодействии -излучения с веществом?

5. В чем состоит фотоэффект? При каком условии возможен фотоэффект?

6. Чем отличается эффект Комптона от фотоэффекта? С какими электронами взаимодействуют -кванты в эффекте Комптона? Каков результат взаимодействия?

7. При каком условии происходит образование электронно-позитронных пар?

8. Запишите закон ослабления -излучения в веществе.

9. Каков физический смысл линейного коэффициента ослабления ? Как он связан с массовым коэффициентом ослабления?

10. Нарисовать график зависимости плотности потока -излучения от толщины вещества.

11. Дать определение слоя половинного ослабления. Показать его на графике.

12. Как связана величина слоя половинного ослабления с линейным коэффициентом ослабления?

13. Дать определение средней длины свободного пробега -кванта (длины релаксации). Как она связана с линейным коэффициентом ослабления?

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Количественными характеристиками полей ядерных излучений являются поток частиц, плотность тока и плотность потока частиц.

Поток ионизирующих частиц (Ф_п) – отношение числа ионизирующих частиц dN, падающих на данную поверхность за интервал времени dt, к величине этого интервала времени:

.

Плотность тока частиц – векторная величина, скалярное значение которой равно разности чисел частиц, пересекающих за 1с единичную плоскую площадку, перпендикулярную к направлению вектора, в противоположных направлениях:

[м^{-2 .} с^-1].

Плотность потока ионизирующих частиц – отношение потока ионизирующих частиц dФ_п, проникающих в объем элементарной сферы, к площади диаметрального сечения dS этой сферы:

.

Поэтому можно сказать, что:

Плотность потока частиц – это отношение числа частиц, падающих на поверхность элементарной сферы в 1 с, к площади диаметрального сечения этой сферы:

Ф =

Взаимодействие рентгеновского и -излучения с веществом

-излучение – это электромагнитное ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

-излучение относится к высокочастотному, сильно проникающему излучению с частотами  = 10¹⁸…10²¹ Гц и энергией квантов Е_ = 10 КэВ…20 МэВ. Мягкое -излучение ничем, кроме своего происхождения, не отличается от рентгеновского излучения.

Проходя через вещество, -кванты взаимодействуют с электронами, атомами и ядрами этого вещества. Основными видами взаимодействия являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект – процесс неупругого взаимодействия -кванта с электроном, связанным с атомом; при этом электрону передается вся энергия-кванта. Часть этой энергии расходуется на преодоление связи электрона с атомом, т.е. на работу выхода, а остальная – на сообщение электрону кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

.

После взаимодействия с атомом -квант перестает существовать(его масса покоя равна нулю). Фотоэффект происходит на внутренних электронных оболочках атома (К, L), поэтому сопровождается вторичным излучением за счет перехода электронов атома с внешних оболочек на внутренние. Но это вторичное излучение всегда меньше по энергии, чем первичное, и оно вновь поглощается веществом. Поэтому считается, что при фотоэффекте -кванты поглощаются полностью.

Вероятность фотоэффекта убывает с ростом энергии -кванта, так как фотоэффект происходит лишь на связанных электронах. Чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энергией -кванта, тем менее вероятен фотоэффект. Условие протекания фотоэффекта:

,

где = 0,51 МэВ – собственная энергия электрона.

Для атомов разных веществ работа выхода разная. С ростом Z вероятность фотоэффекта растет.

 для Е_ >> I_k;

 при Е_ > I_k,

где - микроскопическое эффективное сечение взаимодействия;I_k – потенциал ионизации.

Фотоэффект особенно существенен для тяжелых элементов (например, Pb), где он идет с заметной вероятностью даже при высоких энергиях -квантов. В легких веществах (например, Al) фотоэффект становится заметен при относительно небольших энергиях -квантов.

Эффект Комптона – это упругое столкновение -кванта с отдельным свободным электроном. При эффекте Комптона происходит уменьшение энергии -кванта и его рассеяние на угол .

; .

Часть энергии -кванта передается электрону отдачи.

Сечение комптоновского рассеяния при малых энергиях -кванта убывает с ростом энергии:

.

Комптон-эффект сопровождается возникновением в массе вещества – поглотителя большого количества быстрых электронов отдачи.

Комптон-эффект не приводит к полному поглощению -кванта, но уменьшает его энергию, и тогда становится возможным фотоэффект, в результате которого-квант поглощается.