Взаимодействие гамма-квантов с веществом

 

Фотоэффект

1)  При фотоэффекте электрону атома передается вся энергия фотона. В результате кинетическая энергия освободившегося электрона будет равна

,

где  I_n- потенциал ионизации с n-ой оболочки атома.

 

2)  Освободившееся в результате фотоэффекта место в электронной оболочке заполняется электроном из вышерасположенных оболочек. При этом испускается рентгеновское излучение или Оже-электрон.

 

3)  Зависимость сечения фотоэффекта от основных параметров:

 

Зависимость сечения фотоэффекта от энергии γ-кванта

                 при  .

                    при  .

Функциональная зависимость от основных атомных масштабов ():

,

где r_e- классический радиус электрона, α = 1/137  и А- постоянная.

4)  Численные значения сечения фотоионизации К-оболочки:

при  [ см²],

при  [см²].

 

5)  Сечение ионизации L-, M-оболочек при  меньше, чем  К-оболочки:

                    и       .

6)  Фотоэффект является главным механизмом поглощения рентгеновского излучения в тяжелых веществах с большим Z.

Комптон-эффект

1)  С ростом  роль фотоэффекта уменьшается и основным процессом становится комптоновское рассеяние, т.е. отклонение фотонов от первоначального направления при столкновении с электронами с изменением энергии.

 

2)  При  изменением энергии рассеянного фотона можно пренебречь и описать взаимодействие сечением рассеяния (формулой Томсона) для неполяризованной первичной электромагнитной волны

.

Полное сечение рассеяния волны равно

 см².

 

3)  При взаимодействии волны с упорядоченным расположением атомов (напр. кристаллом) проявляются когерентные эффекты: в результате конструктивной интерференции рассеивание происходит только под определенным углом (условие Вульфа-Брэгга):

,

где d - расстояние между слоями решетки и n =1,2,3 ....

4)  При  необходимо учитывать эффект отдачи, который обусловливает изменение длины волны

Схема комптоновского рассеяния и спектры рассеяния в зависимости от λ

 ,

где  см - комптоновская длина волны.

 

Зависимость сечения комптоновского рассеяния от энергии  можно представить в виде

при 

     при   ,

где . При больших энергиях  .

Полное сечение пропорционально количеству электронов в атоме Z .

Образование электрон-позитронных пар

1)  При  может происходить третий вид взаимодействия фотонов с веществом –

образование электрон-позитронной пары.

При этом необходимо наличие дополнительной частицы, забирающей часть импульса.

 

2)  Если при образовании пары участвует тяжелая частица (протон, ядро атома), то энергия отдачи мала  и

 МэВ.

Если в столкновении участвует электрон, то – отдача и .

3)  Выражение для сечения образования пар в общем виде имеет сложный вид, в ограниченном интервале изменения  может быть представлено:

  при 

;

       при  

 .

 

4)  Таким образом, сечение возрастает от пороговой энергии до  и затем не меняется с ростом .

Величина  равна 30 МэВ для алюминия и 15 МэВ для свинца.

 

5)  Сечение  образования  пар при столкновении с  электроном  в ~ 10³ раз меньше.

Суммарное сечение взаимодействия
 g-квантов со средой

1)  При рассмотрении взаимодействия γ-квантов со средой необходимо учитывать все три процесса: фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.

2)  Суммарное сечение равно

,

где   .

3)  В области малых энергий основной механизм - фотоэффект, в промежуточной области - эффект Комптона, а в области больших энергий - образование пар.

Z=20

Основы  дозиметрии

1)  На практике применяются дозиметрические единицы трех типов:

1.  - единицы, описывающие поток частиц;

2.  - единицы, описывающие удельное поглощение энергии;

3.  - единицы, описывающие поток энергии через вещество, независимо от поглощения энергии.

Один и тот же поток частиц разного сорта приводит к разному воздействию излучения на вещество.

 

2)  Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения поглощенная облучаемым веществом на единицу массы.

Грей (Гр, Gy) – единица СИ поглощенной дозы ионизирующего излучения и кермы

1 Гр = 1Дж/кг = 10⁴ эрг/г = 10² рад

Рад  – внесистемная единица поглощенной дозы (от слова радиация)

 

3)  Различают экспозиционную и эквивалентную дозы.

 

4)  Экспозиционная доза служит для определения поглощенной энергии рентгеновского и g-излучения по степени ионизации воздуха.

По определению ЭД равна отношению зарядов одного знака к массе воздуха в ед. объема:

D = SQ/Dm

1 ЭД = 1 Кл/кг (СИ)

 

5)  Внесистемная (устаревшая) единица ЭД - рентген

1Р = 2,6 10^-4 Кл/кг,

что соответствует образованию 2,08×10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха при 0 С, 760 мм. рт. ст.

Для этого нужно затратить энергию 0,114 эрга на см³ или 88 эрг на грамм. Таким образом, энергетический эквивалент рентгена равен 88 эрг/г.

 

6)  Эквивалентную доза – для биологических тканей.

Зиверт – единица эквивалентной дозы излучения (СИ) соответствует 1 грею

1 Зв = 1Дж/кг = 10² бэр

Бэр – внесистемная единица эквивалентной дозы (от слов биологический эквивалент рентгена)

 

4-5 Зв  единовременно –

 смертельная доза для человека при общем облучении всего тела

Однако в течение всей жизни такая доза не приводит к видимым изменениям

При лечении локально доза достигает до 10 Зв в течение месяца.

Уровень фонового излучения 40-200 мбэр в год

 

Керма (kinetic energy released) – сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образованных при нейтронном, рентгеновском и g- излучении

Санитарные нормы

Для лиц, постоянно занятых на радиационных установках, предельно допустима доза облучения всего тела, не должна превышать

5 бэр в течение года и не превышать

3 бэр в течение квартала (категория А, группа "а").

 

Для лиц, эпизодически выполняющих радиационные работы, устанавливается предельно допустимая доза облучения всего тела

0,5 бэр  в год (категория А, группа "б").