Поглощение -квантов веществом. Свойства -излучения

При прохождении излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка в результате его взаимодействия с атомами вещества. Степень взаимодействия, т.е. ослабление интенсивности пучка, с одной стороны, определяется свойствами вещества – его плотностью, размером атомов и т.п., а с другой – свойствами самого излучения.

Из разных видов радиоактивного излучения наиболее сильно должны взаимодействовать с веществом массивные заряженные -частицы, их проникающая способность минимальна.-лучи представляют собой поток нейтральных и не обладающих массой покоя фотонов, испытывают наименьшее взаимодействие с веществом и поэтому обладают наибольшей проникающей способностью.

Ослабление -лучей при распространении в веществе обусловлено в основном тремя процессами взаимодействия:

1. фотоэффектом;

2. комптоновским рассеянием;

3. образованием электрон-позитронных пар в поле ядра.

1. При фотоэффекте энергия -кванта целиком поглощается атомом. Вероятность этого процесса велика только при сравнимых значениях энергии кванта и энергии связи электрона в атоме. Энергия же -кванта в сравнении с фотонами оптического диапазона очень велика. Поэтому в фотоэффекте могут принимать участие, с одной стороны, только электроны самых глубоких внутренних оболочек атома, а с другой – -кванты самой малой энергии. При увеличении энергии -лучей вероятность фотоэффекта быстро падает.

2. В широком диапазоне средних энергий -квантов основную роль в ослаблении интенсивности -лучей играет эффект Комптона: рассеяние -квантов на свободных или слабо связанных с атомами электронах. В результате этого процесса вместо первичного -кванта появляется летящий в другом направлении рассеянный -квант, причем часть энергии получает электрон отдачи. После ряда столкновений квант теряет большую часть своей энергии и в конце концов поглощается.

3. В процессе поглощения -квантов с образованием электрон-позитронной пары е⁺ + е^– энергия кванта расходуется на создание этих двух частиц и на сообщение им кинетической энергии. Минимальная энергия, которая необходима для этого процесса, составляет 2 m₀c², т.е. 1,022 МэВ, так что этот процесс существует лишь для -лучей очень большой энергии (m₀ – масса покоя электрона с – скорость света).

Взаимодействие фотонов с частицами вещества носит статистический характер: число актов взаимодействия пропорционально наличному числу квантов (интенсивности излучения) и числу частиц, способных взаимодействовать. Поэтому изменение (убыль) интенсивности излучения dI в малом слое толщины dx пропорционально dx и интенсивности падающего на данный слой излучения I:

dI = – Idx. (8.2)

Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом поглощения.

Интегрируя уравнение (8.2) с учетом начальных условий (I = I₀ при х = 0), получим:

I = I₀ е ^{– Х} (8.3)

рис 8.1.График зависимости интенсивности поглощения - квантов от толщины образца.

Экспоненциальную зависимость (8.3) удобно изобразить в полулогарифмических координатах, отложив по оси абсцисс толщину поглотителя, а по оси ординат ln , получив линейную зависимость. По этому графику легко определить коэффициент поглощения (рис. 8.2).

Преобразуем формулу 8.3. прологарифмируем ее:

μx=

μx=

если I=Io, то M – величина коэффициента поглощения имеет смысл обратному значению толщин образца (X), при которой интенсивность - излучения уменьшается в е раз (е = 2,72). Воздействие- излучения на вещество определяется дозой излучения.

За единицу дозы излучения - квантов принят в СИ один рентген – это доза излучения, при которой в объеме - 1,29·10^-6 кг воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в каждого знака, т.е. 1р=2,579·10^-4 /кг.

Различные типы излучения (рентгеновские лучи, - лучи) по разному воздействуют на биологические объекты, поэтому существует несколько определений 1 рентгена дозы облучения.

В случае преобладания комптоновского рассеяния удобно пользоваться так называемым массовым коэффициентом ослабления где  – плотность вещества. Он характеризует ослабление -лучей единицей массы вещества.

Поскольку комптоновский эффект обусловлен столкновением квантов с внешними электронами атомов, ослабление пучка зависит прежде всего от концентрации электронов. Но концентрация электронов в веществе приблизительно пропорциональна его плотности, и поэтому в рассматриваемом случае коэффициент не должен практически зависеть от рода вещества. Получение такого результата в эксперименте свидетельствует о преобладающей роли комптоновского рассеяния.