Основными механизмами взаимодействия -излучения энергии МэВ с веществом являются фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.

Фотоэффектом (атомарным фотоэффектом) называется процесс взаимодействия фотона с атомным электроном, при котором вся энергия и импульс падающего фотона передаются электрону и атомному остатку. Кинетическая энергия , которую получает освободившийся электрон, равна

где  – энергия ионизации той оболочки, с которой был вырван электрон (под  надо понимать , , , , …). Энергией отдачи, которую приобретает атом, точнее образовавшийся ион, ввиду ее малости можно пренебречь.

Энергетическая зависимость эффективного сечения фотоэффекта имеет вид несимметричных резких максимумов (или "зубцов") в окрестности значений энергий фотонов, соответствующих энергии ионизации той или иной оболочки атома: возрастание сечения при уменьшении энергии и приближении к одному из значений  сменяется резким падением в точке . В области энергий, превышающих энергию ионизации K-ой оболочки, эффективное сечение фотоэффекта представляет собой монотонно убывающую функцию энергии. А именно, при  МэВ сечение фотоэффекта падает с ростом энергии приблизительно как , а при  МэВ – приблизительно как . Таким образом, фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения при низких энергиях -излучения.

Вероятность фотоэффекта очень сильно зависит и от порядкового номера элемента. С ростом  сечение  пропорционально , где заключено между и .

Когда энергия -кванта начинает существенно превышать энергию связи электронов в атоме, основную роль во взаимодействии такого кванта с веществом начинает играть эффект Комптона. Комптон-эффект или комптоновское рассеяние – это рассеяние электромагнитного излучения с изменением длины волны. Свое истолкование эффект получил в рамках квантовой теории, а именно при рассмотрении одиночного акта рассеяния -кванта на свободном электроне среды. Последнее также часто называется комптоновским рассеянием.

При рассеянии на первоначально покоящемся электроне частота (энергия) -кванта уменьшается в зависимости от угла рассеяния согласно формуле

где  – масса покоя электрона.

При этом смещение длины волны рассеянного кванта равно

где см – комптоновская длина волны электрона.

Уменьшению энергии рассеянного -кванта соответствует возрастание энергии электрона отдачи, т.е.

Эффективное сечение комптоновского рассеяния на электроне обратно пропорционально энергии -кванта и не зависит от характеристик рассеивающего вещества. Эффективное сечение этого же процесса, но рассчитанное на один атом, пропорционально атомному номеру (или числу электронов в атоме) :

Гамма-кванты, если их энергия достаточно велика, взаимодействуют с веществом также посредством образования пар электронов и позитронов. Процесс рождения пар может происходить только в присутствии третьего тела – ядра или электрона. Поскольку масса -кванта равна нулю, образование электрон-позитронной пары – эндоэнергетический процесс. Пороговая энергия -кванта определяется выражением:

где  – масса частицы, в поле которой происходит образование электрон-позитронной пары.

Если процесс образования пары идет в кулоновском поле ядра, пороговая энергия -квантов практически совпадает с удвоенной энергией покоя электрона: МэВ. При образовании пары в кулоновском поле электрона пороговая энергия -квантов повышается до МэВ, т.к. значительная энергия передается электрону, в поле которого происходит процесс.

Эффективное сечение образования электрон-позитронной пары в поле ядра имеет достаточно сложный вид, и лишь в интервале энергий МэВ МэВ представимо в виде

В ультрарелятивистском пределе сечение выходит на константу.

Сечения фото- и комптон-эффекта при высоких энергиях -квантов спадают практически до нуля. При увеличении энергии рождение пар становится сначала основным, а при дальнейшем росте энергии – единственным механизмом поглощения -излучения в веществе.

>>Теоретическая часть. Ослабление параллельного моноэнергетического пучка гамма-квантов

Теоретическая часть. Гамма-излучение. Основные характеристики <<