Гамма излучение и его взаимодействие с веществом

Гамма-излучение образуется при радиоактивном распаде некоторых атомных ядер - процессе самопроизвольного превращения неустойчивых ядер одних элементов в ядра других элементов, сопровождающимся испусканием элементарных частиц или ядер, а также при ядерных реакциях. По виду испускаемых частиц различают a - распад (поток ядер гелия) и b - распад (поток быстродвижущихся электронов или позитронов).

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (l < 10 ^-10 м). При взаимодействии с веществом гамма-излучение проявляет четко выраженные корпускулярные свойства и его можно рассматривать как поток фотонов (гамма-квантов).

Возникновение гамма-излучения при a- и b-распадах объясняется тем, что ядра, образующиеся в результате радиоактивных распадов, могут находиться в возбужденном состоянии. Переходя в состояние с меньшей энергией, ядра испускают гамма-кванты, энергия которых равна разности энергий ядра до и после перехода. Спектр гамма-квантов (их распределение по энергиям) линейчатый, что обусловлено дискретностью энергетических состояний атомных ядер.

При прохождении через вещество радиоактивное излучение теряет свою энергию, постепенно поглощаясь веществом. Проникающая способность излучения зависит от типа излучения, природы вещества и других факторов.

Особенно сильно поглощаются веществом a-частицы: в газах при нормальном давлении их пробег составляет несколько сантиметров, а в твердых веществах - доли миллиметра. b-частицы поглощаются веществом несколько меньше: например, они полностью поглощаются пластинкой алюминия толщиной в несколько сантиметров. Заряженные a - и b-частицы теряют свою энергию из-за многократных столкновений с атомами вещества, приводящих к возбуждению и ионизации этих атомов.

Гамма-излучение имеет значительно большую проникающую способность, чем a- и b-излучения. Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются (изменяют направление своего движения). Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество, являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект - процесс неупругого взаимодействия гамма- излучения с веществом, при котором падающий фотон поглощается атомом и передает свою энергию одному из электронов, выбивая его из атома. Фотоэффект происходит на связанных электронах (когда энергия связи электрона в атоме сравнима с энергией фотона), поэтому по мере увеличения энергии фотонов вероятность фотоэффекта уменьшается. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий гамма-квантов (Е < 0,1 МэВ для алюминия и Е < 0,5 МэВ для свинца).

При более высоких значениях энергий гамма-квантов вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом их взаимодействия с веществом становится комптоновское рассеяние - процесс упругого взаимодействия фотона со свободным электроном (электрон можно считать свободным, если энергия фотона существенно превышает энергию связи электрона в атоме). В результате взаимодействия падающий фотон передает часть энергии электрону и изменяет направление своего движения (рассеивается).

Образование электронно-позитронных пар (g ® e^- + e ⁺) может происходить при прохождении фотона с энергией Е > 1,02 МэВ (удвоенная энергия покоя электрона) в электрическом поле атомных ядер. При этом фотон исчезает и вся его энергия распределяется между образовавшимися электроном и позитроном. Вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.

В результате всех этих процессов при прохождении через вещество поток гамма-излучения ослабляется. Электромагнитное излучение характеризуется интенсивностью I,величиной, представляющей собой энергию, переносимую фотонами в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения излучения.

Уменьшение интенсивности гамма-излучения при прохождении бесконечно тонкого слоя вещества пропорционально толщине этого слоя d x и интенсивности падающего излучения I:

d I = m I d x, (5.1)

где m- линейный коэффициент ослабления, зависящий от природы поглощающего вещества и энергии фотонов падающего излучения.

Интегрируя уравнение (5.1), можно получить закон ослабления излучения слоем вещества толщиной x:

I = I ₀ e ^{-m x}, (5.2)

где I ₀ и I -интенсивность излучения до и после прохождения слоя вещества соответственно.

Из формулы (5.2) следует, что интенсивность гамма-излучения по мере прохождения слоя вещества толщиной x уменьшается по экспоненциальному закону. Быстрота изменения интенсивности определяется коэффициентом поглощения m (обычно измеряемым в см ^-1). Экспоненциальная зависимость (5.2) строго выполняется для узкого пучка фотонов одинаковой энергии.

Для характеристики ослабляющей способности вещества используется также понятие толщины слоя половинного ослабления Δ_1/2, при прохождении которого интенсивность излучения уменьшается в два раза. Используя (5.2), можно показать, что

Δ_1/2,=ln (5.3)

При взаимодействии гамма-излучения с веществом наиболее существенны процессы фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования электрон-позитронных пар. Каждый из них происходит независимо от других, поэтому полный коэффициент поглощения μ состоит из трех слагаемых

м=t+у+e, (5.4)

где τ, у, е - коэффициенты поглощения, обусловленные соответственно фотоэффектом, комптоновским рассеянием, образованием электронно-позитронных пар.

Коэффициент поглощения при фотоэффекте определяется выражением

t= f₁ (E_r) , (5.5)

где f₁ - функция, зависящая от энергии фотона, Z-атомный номер вещества, А-его атомная масса, ρ - плотность вещества. Расчеты показывают, что если принять E_г = 1,25 МэВ (как для источника излучения Co⁶⁰), с выразить в кг/м³, а τ - в см^-1, функция f₁ численно равна 7·10^-12. Из формулы (5.4) видно, что коэффициент поглощения фотонов одинаковой энергии при фотоэффекте существенно возрастает с увеличением атомного номера вещества.

Коэффициент поглощения при комптоновском рассеянии можно представить в виде;

у= f_{2 (}(E_г) , (5.6)

где f₂ - функция, зависящая от энергии фотона при тех же условиях, что и выше, численно равна 1,1·10^-4. Согласно формуле, зависимость σ от природы вещества в основном определяется его плотностью так как отношение Z/A мало отличается для разных элементов. Вкладом эффекта образования электронно-позитронных пар в данных условиях можно пренебречь.

Логарифмируя уравнение (5.2), получаем

ln I = ln I ₀ - m x (5.7)

Эта зависимость представляет собой уравнение прямой в координатах ln I и x, тангенс угла наклона которой (с обратным знаком) равен коэффициенту поглощения m.

Измерив на опыте зависимость I (x) для различных материалов и построив графики ln I = f (x) (рис.5.1) можно по прямолинейной части графиков определить коэффициенты поглощения гамма-излучения соответствующих материалов по формуле:

, (5.8)

где X ₁ и X ₂ - толщины поглощающего слоя. Наблюдаемая иногда нелинейность зависимости ln I = f (x) обусловлена энергетической неоднородностью пучка фотонов, а также наличием b-излучения.

Рис.5.1. Зависимость интенсивности излучения от толщины поглощающего слоя