4. Когерентное (релеевское) рассеяние

При когерентном рассеянии фотон взаимодействует со связанным орбитальном электроном, т.е. с атомом как целом. В результате когерентного рассеяния фотон только отклоняется на небольшой угол относительно направления первоначального движения, практически не изменяя свою энергию. Дифференциальное микроскопическое сечение когерентного рассеяния имеет следующий вид:

(1.74)

где F(|P_e|,Z) – формфактор представляет вероятность передачи импулься |P_e| совокупности Z электронов атома. В первом приближении F ~ Z², что указывает на возрастании роли когерентного рассеяния для материалов с высоким Z. Интегральное микроскопическое сечение когерентного рассеяния, отнесенное к одному атому, пропорционально ~ (Z/E_γ)². Так, например, для 1 МэВ фотонов отношение сечений когерентного и комптоновского рассеяния возрастает от 10^-3 для легких до 0,05 для тяжелых элементов.

5. Образование электронно-позитронных пар

Эффект образования электронно-позитронной пары состоит в образовании фотоном в поле ядра пары заряженных частиц: электрон и позитрон. Сам фотон при этом исчезает, а его энергия идет на создание двух масс покоя (2m_ec² = 1,022 МэВ) и кинетической энергии заряженным частицам и энергию отдачи ядра (~ 5 кэВ), которая делится между частицами поровну. Таким образом, энергетическая зависимость сечения этого процесса σ_п имеет пороговый характер (см. рис. 1.17) с порогом E_пор~1,02 МэВ и монотонно возрастает с увеличением энергии фотонов до примерно постоянного значения в области энергий ~ 50 МэВ.

Когда образование пары происходит в поле орбитального электрона, то этот процесс называется образование триплета (электрон, позитрон и орбитальный электрон) и кинетическая энергия распределяется уже между тремя частицами. Порог данного эффекта равен 4m_ec². Сечение образования пар в поле орбитального электрона пропорционально Z, а в поле ядра пропорционально Z². Абсолютная величина сечения σ_п в поле орбитального электрона много меньше (примерно в 50 раз) сечения образования пар в поле ядра.

Рис. 1.21. Схематическое изображение эффекта образования пары: электрон

и позитрон

Электрон и позитрон испускаются главным образом в том же направлении, в каком двигался родительский фотон, точнее в пределах телесного угла 0,511/E_γ радиан. Свободный позитрон нестабилен и преимущественно в конце пробега аннигилирует с одним из электронов среды. В результате аннигиляции образуются два фотона с энергией по 0,511 МэВ (рис. 1.21). Поскольку аннигиляция имеет наибольшую вероятность при малых энергиях позитрона, угол между направлениями разлета аннигиляционных фотонов составляет ~180^о.

6. Фотоядерные реакции

При фотоядерной реакции высокоэнергетичный фотон поглощается ядром атома. В результате происходит эмиссия нейтрона ((γ,n)-реакция) или протона ((γ,р)-реакция) и ядро трансформируется в радиоактивный продукт. Данная реакция имеет пороговый характер и происходит при превышении энергии фотона над энергией связи нуклонов в ядре. В большинстве случаев эта энергия равна 6 – 8 МэВ. Исключение составляют дейтерий и бериллий, для которых пороговая энергия реакции ((γ,n) довольно мала (2,23 и 1,665 МэВ).

Данная реакция слабо влияет на распространение фотонов в среде из-за ее малой вероятности. Даже для тяжелых ядер сечение процесса не превышает 1 б. Однако ее следует учитывать при работе медицинских ускорителей, так как возникающие потоки нейтронов могут приводить к заметной активации оборудования.