Рассеяние происходит в области низких энергий фотонов. Некогерентное рассеяние на свободном электроне или атомном

электроне (комптоновсксе рассеяние) – процесс, при котором фотон рассеивается атомным электроном с передачей части энергии электрону, который вырывается из атома. Это рассеяние происходит в области энергий примерно от 200 кэВ и до 5 МэВ (рисунок 8.2, б).

Образование пар – процесс, приводящий к поглощению γ- излучения и образованию пары электрон–позитрон. Образовавшиеся пары производят ионизацию среды, часть их энергии тратится на образование тормозного излучения. Замедлившись, позитрон аннигилирует с электроном с образованием γ-излучения. Процесс происходит в области более высоких энергий (1–10 МэВ) (рисунок

8.2, в).

		Фотоэлектрон
h
		е	-
-излучение	Атом
а)
	Рассеянный фотон
h 0	Электрон атома		h s
		Электрон отдачи
-излучение
б)
h	Ядро атома	Позитрон
		Электрон
-излучение
в)

Рисунок 8.2 – Схемы основных видов взаимодействий γ-квантов с веществом:

а– фотоэффект; б – комптон-эффект; в – эффект образования пар.

8.3Фотоэффект

Фотоэффект – такое взаимодействие γ-кванта с атомом, при котором γ–квант поглощается (исчезает), а из атома вырывается

99

электрон (рисунок 8.2, а). Часть энергии γ–кванта Eγ, равная энергии связи εе, расходуется на разрыв связи электрона с ядром, а остальная часть преобразуется в кинетическую энергию электрона:

Eγ = εе+Ее. (8.13)

Первая особенность фотоэффекта заключается в том, что он протекает только тогда, когда энергия γ-кванта больше энергии связи электрона в оболочке атома. Если энергия γ-кванта меньше энергии связи электрона в K-оболочке, но больше, чем в L-оболочке, то фотоэффект может идти на всех оболочках атома, кроме K-оболочки, и т. д.

Вторая особенность фотоэффекта – увеличение фотоэлектрического поглощения γ-квантов с ростом энергии связи электронов в атоме. Фотоэффект практически не наблюдается на слабо связанных электронах атома. Свободный электрон не поглощает γ-квант.

Фотоэффект в основном наблюдается на К- и L-оболочках тяжелых атомов при энергиях γ-квантов до 10 МэВ. Линейный коэффициент ослабления фотоэффекта пропорционален отношению:

μф~ Z 4/Eγ.

(8.14)

На рисунке 8.3 дана зависимость коэффициента μф свинца от энергии γ-кванта. Коэффициент μф резко уменьшается с увеличением энергии и при энергиях выше 10 МэВ в свинце практически не возникают фотоэлектроны.

100

Коэффициент ослабления, см -1

1,6
1,4
μ
к
1,2
1
	μ
0,8
0,6
μ	μ
ф	п
0,4
0,2
0

01.1	10	100		1000
0	1.0	10	2	10	3
	1
	Энергия -квантов, МэВ

Рисунок 8.3 – Зависимость линейных коэффициентов ослабления от энергии γ-квантов для свинца: μ – полный; μф – фотоэффект;

μк – комптон–эффект; μп – эффект образования пар.

8.4Комптон-эффект

На слабосвязанных атомных электронах происходит рассеяние - квантов, называемое комптон–эффектом. Взаимодействие -кванта с электроном в комптон–эффекте можно представлять как столкновение двух упругих шариков (см. рисунок 8.2, б) с массами m =E/c2 и те. В каждом упругом столкновении -квант передает часть своей энергии электрону, который называют электроном отдачи, и рассеивается. Кинетическая энергия электрона отдачи:

Ee=h - h '

(8.15)

где и '– частота -кванта до и после рассеяния соответственно. После рассеяния электрон отдачи и -квант разлетаются под

углами θ и φ относительно первоначального направления движения-кванта. Эти углы определяются законами сохранения энергии и

	импульса, согласно которым изменение длины волны -кванта:
		h 1 cos		(8.16)
		me c

где те — масса электрона; с–скорость света в вакууме; h– постоянная Планка.

101

Энергия рассеянного -кванта

связаны с начальной энергией соотношениями:

E

'

h

'

h

h

1 cos

1

m

c

2

e

E

2 h 2

1

e

me c2

2 h

h

1

me

c

2

1

me c

2

E' h ' и электрона отдачи Ее-кванта, с углами θ и φ

(8.17)

	2	(8.18)
		tg
		2

Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из процесса комптоновского рассеяния -квантов.

Длина волны мало меняется при рассеянии -кванта на малые углы (φ≈0). Однако если -квант рассеивается на большие углы (φ≈π), то изменение длины волны, а следовательно, и энергии -кванта максимально:

		2h	(8.19)
max		mec

Так как взаимодействие -кванта с любым электроном атома независимо, то величина μk пропорциональна плотности электронов Ne, которая в свою очередь пропорциональна порядковому номеру Z вещества. Зависимость μk от энергии -кванта hν и Z получена физиками Клейном, Нишиной и Таммом и для энергий hν>> mec2 имеет простой вид:

			N Z		2h		1
	k								(8.20)
			h		m c2		2
				ln
					e

где N – число атомов в 1 см3 вещества.

Комптон-эффект идет главным образом на слабосвязанных электронах внешних оболочек атомов. С увеличением энергии доля рассеянных -квантов уменьшается. Линейный коэффициент ослабления убывает с энергией медленнее, чем коэффициент μф. Комптон–эффект в свинце (рисунок 8.3) преобладает над фотоэффектом в энергетической области Eγ >0,5 МэВ.

Из формулы (8.20) следует, что коэффициент μk пропорционален плотности электронов Ne=N Z и приблизительно обратно пропорционален первоначальной энергии -кванта hv, так как логарифмическая функция в скобках формулы (8.20) слабо зависит

102