Механизмы передачи энергии

Взаимодействие g-излучения с веществом

g-излучение - фотонное, косвенно ионизирующее излучение.

Масса покоя кванта = 0. Скорость с = 3·10¹⁰ см/с

Энергия и длина волны:

1. g-кванты (переход между уровнями ядра, дискретный спектр)

E_g от нескольких кэВ до ~ 6,0 МэВ; l_{E=10 кэВ} = 1,2 Å; l_{E=2 МэВ} = 6,2·10^-3 Å

2. Характеристические рентгеновские кванты (электронные переходы, дискретный спектр)

E_x от нескольких сотен эВ до ~ 100÷120 кэВ; l_х от 10³ Å до 6·10^-2 Å

3. Тормозное излучение (преобразование энергии b–частиц; непрерывный спектр)

Верхняя граница E_Т определяется E_b,max.

Механизмы передачи энергии

Энергия g-квантов, испускание которых сопровождает ядерные превращения подавляющего большинства радионуклидов, определяется дискретными уровнями возбужденных ядер и составляет, как правило, от ~ 10 кэВ до ~ 6 МэВ. Для электромагнитных квантов (фотонов), имеющих такую энергию, основными первичными процессами взаимодействия с веществом являются фотопоглощение, комптоновское рассеяние и образование пар электрон-позитрон (рис. 3.16). При этом часть энергии преобразуется в энергию заряженных частиц, часть – во вторичное фотонное излучение.

Фотопоглощение (фотоэффект) – процесс передачи всей энергии g-кванта электрону, как правило, К-оболочки атома облучаемого вещества. При этом электрон (фотоэлектрон) выбрасывается из атома, его кинетическая энергия (Е_ф) равна разности между энергией фотона и энергией связи в атоме (E_K): Е_ф = E_γ−E_K.

Рассмотрение законов сохранения энергии и импульса показывает, что фотоэффект невозможен на свободном электроне. Вероятность фотоэффекта существенно возрастает по мере увеличения энергии связи электрона в атоме. Когда энергия фотона достаточна для ионизации К-оболочки (E_γ > E_K), то вероятность фотоэффекта на К-оболочке выше, чем на L-оболочке и M-оболочке примерно в 5 и в 20 раз, соответственно. Очевидно, что при E_γ< E_K фотоэффект возможен только на L-, M-,… и т.д. оболочках.

Вакансия, образовавшаяся на К-оболочке, заполняется электроном с одного из находящихся выше уровней, например, L_I (рис. 3.17). Выделяющаяся при этом энергия (E_K−E_LI) может быть либо рассеяна в виде рентгеновского кванта (E_X = E_K−E_LI), либо передана другому электрону, например, L_II-оболочки. Этот электрон покинет атом, т.к. E_K−E_LI>E_LII. В этом заключается эффект Оже. Каскадное размножение «дырок» после первого оже-перехода происходит до тех пор, пока они не переместятся во внешние оболочки. Таким образом, фотоэффект сопровождается либо испусканием характеристических рентгеновских квантов, либо каскадом безизлучательных переходов. Вероятность испускания оже-электронов увеличивается с уменьшением Z, и для легких атомов (Z<30) она выше вероятности рентгеновской флуоресценции.

Процесс перестройки электронной оболочки завершаются примерно через 10^-14с после поглощения первичного фотона. К этому моменту энергия исходного g–кванта

(сумма кинетической энергии фотоэлектрона и энергии возбуждения электронной системы атома) поглощается в локальной области облучаемого вещества, размер которой определяется или максимальным пробегом (R_max) выбитых электронов, или (при фотопоглощении низкоэнергетических γ-квантов) – проникающей способностью характеристического излучения. Например, значения R_max для высокоэнергетических электронов (500 кэВ < E_ф < 3000 кэВ) в кристаллах NaI и Ge составляют от ~ 0,8 до ~7 мм, а для электронов E_ф=100 кэВ - 0,06 мм. Пробег оже-электронов во много раз меньше. В то же время для поглощения 99% потока рентгеновских квантов (E_X ≤ 28 кэВ) необходим слой вещества ~ 0,5 мм.

Количественной характеристикой вероятности взаимодействия g–квантов с атомами поглотителя является «сечение взаимодействия». Сечение численно равно вероятности взаимодействия кванта на единице пути в веществе, содержащем один атом в единице объема, имеет размерность площади (как правило, см²), зависит от энергии кванта и атомного номера Z облучаемого вещества. Сечение фотопоглощения (t) резко возрастает при уменьшении E_γ и увеличении атомного номера Z вещества-поглотителя: для квантов относительно небольшой энергии (E_γ < 511 кэВ) t пропорционально отношению Z⁵/E_γ^3,5. Следует отметить, что значение t скачкообразно увеличивается в случае равенства E_γ энергии связи электронов на K-, L- или M-оболочках и на графике зависимости t от E_γ в области низких энергий наблюдаются

резкие изломы (рис. 3.18).

 

Комптоновское рассеяние – передача части энергии g-квантов электронам внешних оболочек. Энергия связи этих электронов пренебрежимо мала по сравнению с E_γ и рассеяние трактуется как столкновение фотона с отдельным свободным электроном. В результате электрон покидает атом, а новый γ-квант с энергией hν′ =E_γ′ отклоняется от направления движения первичного кванта (рис. 3.13б, 0º<θ£180º). Энергия рассеянного кванта изменяется в соответствии с (3.21)

(3.21),

 

где E_γ, и E_γ′ выражены в кэВ; m_oc²=511 (кэВ) - энергия массы покоя электрона.

Кинетическая энергия комптоновских электронов (E_компт.= E_γ-E_γ′), выбитых моноэнергетическими квантами (E_γ, кэВ), непрерывно изменяется вместе с величиной угла φ от нуля (при φ=90º, θ=0º) до максимального значения E_компт.= E_γ∙[1+(511/2E_γ)]^-1 (при φ=0º, θ=180º).

(3.22)

Энергетическое и угловое распределение выбитых электронов сложным образом зависит от энергии фотона. Можно отметить, что доля энергии фотона, передаваемой электрону, растет с увеличением E_g. Так, средняя энергия комптоновских электронов, появляющихся при облучении воды g-квантами 100, 500 и 1000 кэВ, равна, соответственно, ~15, ~175 и ~ 450 кэВ.

Вероятность комптоновского рассеяния (s) растет при уменьшении E_γ и при увеличении Z облучаемого вещества, но зависимости более плавные, чем в случае фотоэффекта: в первом приближении, s µ Z/E_γ.

 

Классическое или томсоновское рассеяние. Эффект Комптона не существенен для мягкого (длинноволнового) излучения. Однако следует отметить, что γ-излучение (как и рентгеновское) может рассеиваться и без изменения длины волны: фотон поглощается и немедленного испускается атомом без изменения энергии, но в другом направлении. Рассеяние излучения без передачи энергии облучаемому веществу называют классическим или томсоновским. Оно возможно, когда энергия фотона недостаточна для вырывания электрона из атома, и впервые наблюдалось для мягкого рентгеновского излучения (λ≈10⁻⁸ см, Е ≤ 10 кэВ). Его источником являются связанные электроны атома, которые приходят в резонансные колебания под действием падающего излучения и вследствие этого сами становятся излучателями квантов такой же частоты.

При падении мягких рентгеновских или гамма-лучей на кристалл с постоянной решетки d, сравнимой с длиной волны (λ≈d), рассеянное излучение становится когерентным, в результате чего наблюдается интерференционная картинка. Такое излучение используется для структурного анализа. Направление рассеянного излучения определяется при помощи формулы Вульфа-Брегга: 2d∙sinφ = nλ

 

Наиболее удобные для наблюдения углы получаются при λ≈d. Для жесткого излучения (λ << 2d) углы наблюдения слишком малы. Рассеяние очень мягкого излучения не может быть когерентным (sinφ > 1, если λ > 2d).

 

Образование пар электрон-позитрон – взаимодействиевысокоэнергетических g-квантов с полем ядер, приводящее к исчезновению квантов и образованию заряженных частиц. Пороговая энергия процесса равна удвоенной энергии массы покоя электрона (1022 кэВ), а кинетическая энергия частиц E_e- = E_e+= (E_γ-1022)/2. Последующая аннигиляция позитрона приводит к появлению двух квантов с энергией по 511 кэВ каждый, которые, в свою очередь, могут поглотиться веществом по механизму фотоэффекта или рассеяться на электронах. Сечение образования пар (c) пропорционально Z² и растет с увеличением E_γ. В интервале 2550 <E_γ <25000 кэВ значение cµ Z²∙lnE_γ