Взаимодействие γ-излучения и рентгеновского излучения с веществом

Лекция 16

16.1. Взаимодействие γ – и рентгеновского излучения с веществом.

Если не считать ядерных реакций под воздействием γ – излучения (ядерный фотоэффект), то основными видами взаимодействия γ – квантов с веществом являются:

1)  Томпсоновское рассеяние, как для видимого света

2)  Фотоэффект

3)  Эффект Комптона

4)  Образование электрон – позитронных пар.

В результате взаимодействия с веществом поток γ – квантов при прохождение через вещество ослабляется. Закон ослабления имеет такой же вид, как и для света при его прохождении через прозрачные среды.

Пусть параллельный пучок γ – квантов интенсивностью J₀ , ограниченный диафрагмой малого размера, падает на поверхность вещества. При поглощении или рассеянии кванты удаляются из падающего пучка, тогда

,                                                                                                                                            (16.1)

где dJ изменение интенсивности пучка при прохождении слоя вещества толщиной dx, N – число атомов вещества на 1см³ , σ – полное сечение ослабления на один акт рассеяния (поглощения) на один атом вещества.

Обозначим через  коэффициент ослабления излучения веществом. При интегрирование для интенсивности пучка получаем

,                                                                                                                                            (16.2)

где x – толщина слоя пройденного пучком.

Под значением μ – понимается суммарный коэффициент ослабления веществом

,                                                                                                                                            (16.3)

где -- коэффициенты обусловленные четырьмя основными эффектами: томпсоновским () и комптоновском () рассеянием, а так же фотоэффектом () и образованием электрон-позитронных пар ().

16.1.1. Томпсоновское рассеяние.

Томпсоновское рассеяние рентгеновского излучения (без изменения длинны волны) было впервые исследовано Д.Д.Томпсоном.

Эти результаты получены для мягкого рентгеновского излучения и показали практически неизменность длины волны при рассеянии. Они были объяснены при помощи классической теории рассеяния электромагнитного излучения использованной ранее для объяснения рассеяния видимого света.

Согласно этой теории атом рассматривается как гармонический осциллятор. Электрон под действием на него электромагнитной волны с электрическим вектором , будет совершать вынужденные колебания с той же частотой ν₀ и, следовательно, сам становится излучателем электромагнитной волны той же частоты. Это и есть рассеянная волна. Раскачивая электроны γ – излучение уменьшает интенсивность.

16.1.2. Эффект Комптона

Классическая теория рассеяния справедлива при . Если  будет происходить изменение длины волны. Детально рассмотренное рассеяние жёсткого рентгеновского излучения проведено Комптоном  в 1923 году.

Длины рассмотренных волн определялись при помощи формулы Вульфа – Брега по величине угла рассеяния на кристалле кальцита CaCo₃ - детектор.

Было обнаружено:

1.  Спектр содержит помимо исходной волны изменённые длины волн λ > λ₀.

2.  Разность λ- λ₀ зависит от угла рассеяния φ.

3.  При заданном угле φ  Δλ не зависит от λ₀.

4.  Величина Δλ постоянна для всех рассеивающих сред (не зависит от Z₀).

Объяснение получено исходя из представления о жёстких квантах, как о частицах, рассеивающихся на других слабо связанных с атомами вещества частицах – электронах.

Вывод уравнения для Δλ полностью аналогичен выводу уравнения для энергии атома отдачи ( см. формулу (3.14)) при упругом столкновении частиц (лекция 3):

(=0,0242 Ǻ - постоянная Комптона),                                                                                                                                            (16.4)

φ – угол рассеяния.

Сечение комптоновского рассеяния получено Клейном и Нишиной (1929), а также Таммом (1930) (формула Клейна – Нишины – Тамма).