Поглощение радиоактивного излучения веществом

Механизм поглощения при взаимодействии g-излучения с веществом бывает различным в зависимости от энергии (частоты) проходящей волны (фотона). Гамма-кванты могут взаимодействовать с веществом различными способами:

· выбивая электроны из атомов (фотоэффект);

· сообщая электронам часть своей энергии при упругом столкновении (эффект Комптона);

· образуя электрон-позитронные пары (гамма-квант превращается в электрон и позитрон);

· поглощаясь ядром атома с испусканием последним протона или нейтрона (ядерный фотоэффект).

Величина коэффициента поглощения g-квантов в веществе зависит от их энергии. Чем меньше энергия квантов, тем больше коэффициент ослабления. При малых энергиях (h n < 100 кэВ) основной вклад в поглощение вносит фотоэффект, то есть поглощение g-кванта одним из электронов в атоме, причём энергия кванта преобразуется в основном в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома.

Если энергия g-квантов лежит в пределах (10²–10³) кэВ, то наиболее существенную долю в их поглощение вносит эффект Комптона, то есть рассеяние фотонов на свободных или на слабо связанных в атоме электронах. При этом уменьшается энергия квантов и изменяется направление их движения.

При энергии кванта h n > 1,02 МэВ = 2 m _е c ² (m _е – масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса про порциональна энергии фотона и при энергии h n > 10 МэВ основным процессом поглощения g-лучей в любом веществе оказывается образование пар.

Если энергия фотона Е _g ³ 5 МэВ, то в механизме поглощения g-лучей преобладает взаимодействие с ядром (ядерный фотоэффект) и образование пар электрон – позитрон.

Энергию любого монохроматического излучения можно представить как произведение числа квантов N на энергию e = h n одного кванта: W = Nh n. При прохождении g-лучей через вещество происходит ослабление их интенсивности, то есть уменьшение числа квантов.

Обозначим через n число g-квантов, дошедших за единицу времени до слоя dx (рис. 7.1); после прохождения слоя dx число квантов вследствие поглощения сократится на dn. Убыль числа квантов будет пропорциональна числу n упавших квантов и толщине слоя:

где m – коэффициент пропорциональности, называемый линейным коэффициентом поглощения или ослабления. Из формулы (7.1) следует, что линейный коэффициент поглощения

,

(7.2)

то есть он численно равен относительному изменению числа фотонов при прохождении слоя вещества единичной толщины. Величина m зависит от свойств вещества и от энергии квантов излучения. Разделяя переменные в уравнении (6.1) и интегрируя его по x от 0 до b и по n от n ₀ до n, получаем

(7.3)

где n – число g-квантов, прошедших преграду толщиной b; n ₀ – число g-квантов, упавших на вещество (см. рис. 7.1).

Равенство (7.3) несложно привести к виду y = kx + с, где y = ln n, x = b. Это даёт возможность рассчитать m по графику зависимости ln n (b). Прежде чем приступить к работе, начертите примерный вид этого графика, подумайте, как найти m. Потенцирование этого уравнения даёт закон поглощения любых электромагнитных волн (получите его!) независимо от их частоты. Разница (и весьма значительная!) будет лишь в величине m.

Линейный коэффициент ослабления в одной и той же среде монотонно уменьшается с увеличением энергии (частоты). Вместе с тем, величина m зависит и от среды (вещества), в которой распространяется излучение: чем больше плотность вещества, тем больше коэффициент поглощения, поэтому наряду с m вводят массовый коэффициент поглощения m_м = m/r. Для оценки поглощательных свойств материала пользуются также понятием слоя половинного ослабления

.

(7.4)

Как следует из названия данной характеристики, слой половинного ослабления соответствует такой толщине материала, которая в два раза ослабляет проходящее через него радиоактивное излучение.