Читать книгу Фундаментальная радиохимия - Николай Дмитриевич Бетенеков - Страница 15

1. Потеря энергии γ-квантами. Образование непосредственно ионизирующего излучения. Механизм взаимодействия γ-квантов с веществом имеет иной характер, чем механизм взаимодействия заряженных частиц. К потере энергии γ-излучением приводят различные процессы: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар электрон – позитрон.

Фотоэффект заключается в том, что γ-квант, взаимодействуя с атомом или молекулой, выбивает из них электрон (называемый обычно фотоэлектроном). При этом γ-квант полностью поглощается, вся его энергия передается электрону. В результате электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме (рис. 1.11, а).

Рис. 1.11 Взаимодействие γ-излучения с веществом а – фотоэффект; б – комптоновское рассеяние; в – образование электрон-позитронной пары

Процесс комптоновского рассеяния состоит в том, что фотон передает лишь часть своей энергии электрону (так называемому комптон-электрону), а вместо первичного γ-кванта появляется рассеянный γ-квант с меньшей энергией (рис. 1.11, б). Если энергия первичных γ-квантов превышает 1 МэВ, то максимальная энергия комптон-электронов не более чем на 20% отличается от энергии первичного γ-излучения.

При взаимодействии γ-излучения с силовым полем атомных ядер возможно возникновение электрон-позитронных пар (рис. 1.11, в). Этот процесс наблюдается лишь для фотонов с энергией не менее 1,02 МэВ (такова энергия, эквивалентная массе покоя пары электрон – позитрон).

Возникновение пары электрон-позитрон приводит (как и фотоэффект) к полному поглощению энергии γ-кванта. Однако позитроны, замедляясь веществом, взаимодействуют с электронами среды, давая аннигиляционное γ-излучение.

Относительный вклад каждого из трех рассмотренных процессов в ослабление излучения изменяется в зависимости от энергии γ-квантов и атомного номера вещества поглотителя. Вероятность фотоэлектрического поглощения резко уменьшается с ростом энергии γ-квантов; вероятность комптоновского рассеяния тоже падает, но несколько медленнее, а вероятность образования пар растет с повышением энергии, начиная с 1,02 МэВ. С ростом атомного номера Z вещества поглотителя фотоэффект возрастает пропорционально Z⁴, комптон-эффект – пропорционально Z, а эффект образования пар – пропорционально Z². На рис. 1.12 показаны области энергии γ-квантов, в которых преобладает тот или иной процесс поглощения фотонов. В точках левой кривой вероятность комптон-эффекта и фотоэффекта одинакова; в точках правой кривой вероятность комптон-эффекта равна вероятности образования пар. Таким образом, фотоэлектрическое поглощение оказывается основным видом взаимодействия при прохождении γ-квантов малой энергии через вещество, состоящее из атомов с большим Z. При прохождении γ-излучения любой энергии через вещество, содержащее атомы с малыми Z, основным процессом ослабления будет комптоновское рассеяние. Коэффициент образования пар составляет значительную долю в суммарном коэффициенте ослабления для γ-излучения высокой энергии и поглощающих веществ с высоким Z.

Рис. 1.12. График, иллюстрирующий относительную роль различных процессов поглощения γ-кванта а – область преобладания фотоэффекта; б – область преобладания комптон-эффекта; в – область преобладания эффекта образования пар

Число заряженных частиц (электронов, позитронов и положительно заряженных ионов), непосредственно образующихся при ослаблении γ-излучения веществом в результате трех указанных процессов, крайне мало. Ионизирующее действие γ-излучения связано с тем, что на ионизацию среды расходуется кинетическая энергия фотоэлектронов, комптон-электронов, а также электронов и позитронов, возникающих в результате образования пар. Линейная ионизация, создаваемая γ-квантами, приблизительно в 5–10⁴ раз меньше линейной ионизации от α-частиц и в 50 раз меньше линейной ионизации от β-частиц такой же энергии; соответственно и проникающая способность γ-излучения будет выше.

2. Экспоненциальный закон ослабления γ-излучения. Потеря энергии при прохождении параллельного (узкого) пучка γ-квантов через вещество происходит в соответствии с экспоненциальным законом. Изменение числа γ-квантов в зависимости от толщины поглощающего материала также подчиняется экспоненциальной зависимости. Если обозначить соответственно через I_o и I числа γ-квантов, падающих на поглотитель l толщиной l, см (или d, г/см²), и проходящих через него, то

I=I_o е^{-μγ’ l},

или

I=I_o е^{-μγ dl} ,

где μ' (см^-1)– линейный, а μ (см²/г) – массовый коэффициенты ослабления γ-излучения, причем μ=μ'/ρ.

Коэффициент ослабления представляет собой сумму коэффициентов фотоэлектрического поглощения τ, комптоновского рассеяния σ и образования пар χ. Например, для линейного коэффициента ослабления можно записать:

μ' =τ'+σ'+χ' .

Зависимость этих коэффициентов от энергии γ-излучения для поглотителя из свинца показана на рис. 1.13.

Кривая ослабления γ-излучения в линейных координатах аналогична бета излучению. Конечного пробега в веществе для γ-излучения не существует, всегда имеется вероятность, что γ-квант не провзаимодействует с веществом ни по одному из рассмотренных механизмов. Поэтому проникающую способность γ-излучения характеризуют толщиной слоя половинного ослабления (l_1/2 или d _1/2) или связанным с ней значением коэффициента ослабления:

μ'=0,693 / l_1/2 .

Рис. 1.13. Зависимость линейных коэффициентов ослабления γ-излучения в свинце от энергии γ-излучения

1 – поглощение γ-лучей за счет комптон-эффекта; 2 – поглощение за счет фотоэффекта; 3 -γ поглощение за счет образования пар электрон – позитрон; 4 – суммарная кривая

Изучая ослабление γ-квантов в зависимости от толщины поглотителя (например, свинца), можно оценить энергию γ-излучения. Заметим, что анализ кривых ослабления не позволяет выявить близкие по энергиям γ-компоненты сложной схемы распада. Поэтому в настоящее время для идентификации радионуклидов по γ-излучению используется не метод ослабления, а более точные методы γ-спектрометрии.