Лекция 5 Радиационная безопасность. 2006г.

Лекция №5 Тема: «Взаимодействие γ-квантов с веществом»

Вопросы:

1. Поглощение электромагнитного излучения в веществе.

2. Фотоэффект.

3. Эффект Комптона.

4. Рождение электронно-позитронных пар.

5. Зависимость полного коэффициента поглощения от энергии γ-квантов и свойств вещества.

1. Поглощение электромагнитного излучения в веществе.

Рассмотрим взаимодействие с веществом рентгеновских и γ-лучей, т.е. электромагнитных излучений с очень короткими длинами волн, которые способны глубоко проникать в вещество и производить при этом ионизацию. Для краткости здесь будем говорить только о γ-квантах. Поскольку основной ионизационный эффект обуславливается взаимодействием с веществом частиц, возникающих в ходе первичного поглощения и рассеяния γ-квантов, эти электромагнитные излучения относят к косвенно-ионизирующим.

По мере прохождения через вещество число квантов в первоначальном пучке постепенно уменьшается. Соответственно уменьшается и интенсивность пучка (энергия, переносимая γ-квантами в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную пучку). Пусть монохроматический пучок γ-лучей падает перпендикулярно на пластинку малой толщины x и пусть рассеяние γ-квантов происходит однократно. Интенсивность γ-пучка после прохождения пластинки (I_x) связана с интенсивностью падающего пучка (I₀) выражением:

,

в котором n– число атомов поглотителя в 1 см³, σ – полное эффективное сечение рассеяния и поглощения γ-квантов на одном атоме, которое представляет собой вероятность возникновения реакции в единичном потоке при прохождении слоя мишени в 1 см, содержащего одну рассеивающую частицу. Для характеристики рассеяния по различным направлениям удобно использовать дифференциальное сечение рассеянияdσ, т.е. сечение рассеяния внутрь элемента телесного углаdΩ. Число рассеянных частиц (dN), летящих после попадания на мишень в элементе телесного углаdΩ, пропорционально дифференциальному сечению:dN(Θ,φ) = JMdσ(Θ,φ);гдеJ– плотность потока частиц,M– полное число рассеивающих центров в облучаемой части мишени,Θиφ– полярный и азимутальный углы рассеяния падающей частицы внутриdΩ.

Выражение для полного эффективного сечения рассеяния получаем интегрированием:

(в случае аксиальной симметрии).

Произведение (n∙σ = τ) представляет собой линейный коэффициент ослабления τ. Тогда. Часто вместоxберут величину ρ∙x(ρ – плотность) и вводят массовый коэффициент поглощения μ = τ/ρ.

Для различных процессов поглощения γ-квантов главной задачей является установление зависимости эффективного сечения процесса от энергии падающих квантов и от свойств поглощающего вещества. В области энергий γ-квантов от 5 КэВ до 5 МэВ (рис. 13), главным образом, наблюдаются 3 процесса: фотоэффект, эффект Комптона и рождение электронно-позитронных пар. Представляют интерес и такие процессы, как упругое потенциальное рассеяние в кулоновском поле ядра (дельбруковское рассеяние), рэлеевское рассеяние, ядерное резонансное рассеяние, ядерное томсоновское рассеяние. Но их вклад в процессы повреждения атомов и молекул биологических объектов, которые нас интересуют в данном курсе, невелик и потому мы остановимся на трёх указанных выше. Эти три процесса могут происходить независимо друг от друга, поэтому полный коэффициент ослабления равен сумме его составляющих, соответствующих этим процессам:

τ = τ_ф.э.+ τ_к.р.+ τ_о.п.или μ = μ_ф.э.+ μ_к.р.+ μ_о.п.

Чтобы установить зависимость коэффициента поглощения от энергии γ-квантов и свойств вещества, разберём эту зависимость для каждого из этих процессов в отдельности.