В) Гамма-излучение

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны от 10^-3 Å до 1 Å, испускаемое атомными ядрами при их переходе из возбуждённого состояния в основное или менее возбуждённое. В каждом акте перехода ядро излучает γ -квант с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ. В связи с дискретностью энергетических уровней ядра γ -излучение имеет линейчатый спектр, частоты γ -квантов связаны с разностью энергий состояния ядра условием частот Бора, как и для излучения фотонов атомами:

ħω = W₂ – W₁.

Проходя через вещество, пучок γ -квантов постоянно ослабляется. Ослабление потока γ -лучей происходящее при прохождении среды, характеризуется коэффициентом линейного ослабления μ, и связано с тремя процессами: фотоэлектрическим поглощением, комптоновским рассеянием и генерацией электронно-позитронных пар.

Фотоэлектрическое поглощение. При столкновении γ -квантов с электронами внутренних оболочек атомов происходит фотоэффект, при котором вырывается электрон и поглощается γ -квант. Освободившееся после вылета электрона место заполняется одним из электронов с вышележащих оболочек. При таких переходах возникает характеристическое рентгеновское излучение. Фотоэффект может идти только на сильно связанных электронах, свободные электроны не могут поглощать γ -кванты. Расчёты показывают, что фотоэлектрическое поглощение существенно при энергиях γ -квантов W 0,5 МэВ.

Комптоновское рассеяние. По мере увеличения энергии γ -кванта его взаимодействие с электронами оболочек все более приближается по своему характеру к взаимодействию его со свободными электронами, т. е. к комптоновскому рассеянию. Комптоновским рассеянием называется упругое столкновение γ -квантов со свободными или слабо связанными электронами вещества, сопровождающееся увеличением длины волны рассеянного коротковолнового излучения. При таком столкновении γ -квант передаёт электрону часть своей энергии, величина которой определяется углом рассеяния. Эффект Комптона приводит не к поглощению γ -квантов, а к их рассеянию и уменьшению их энергии. Часть из этих рассеянных γ -квантов выходит из вещества.

Образование электронно-позитронных пар. При энергиях, превышающих 2m₀c²=1,02МэВ, становится возможен процесс поглощения γ -лучей, связанный с образованием электронно-позитронных пар. Рождение пар происходит в электрическом поле ядер. При этих энергиях фотоэффект не играет практически никакой роли, а вероятность образования пар сравнивается с вероятностью комптоновского рассеяния.

Полный линейный коэффициент ослабления пучка γ -квантов можно считать равным сумме коэффициентов всех трёх рассмотренных процессов:

μ = μ_ф+μ_к+μ_{п .}

Если исследуется прохождение сквозь вещество узкого параллельного пучка γ-лучей, то не только фотоэлектрическое поглощение и генерация пар, но и комптоновское рассеяние выводят γ-кванты из пучка. Поэтому меняется только количество, но не энергия γ -квантов в пучке, так что коэффициент μ не зависит от длины пути l.

Интенсивность g-лучей по мере прохождения их в веществе, как было сказано выше, ослабевает по закону:

I = I ₀ e ^{–m x},

где I – интенсивность на глубине x; I ₀ – интенсивность на глубине x = 0; m – линейный коэффициент поглощения.