Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, возникающее при ядерных превращениях, изменении энергетического состояния ядер и аннигиляции частиц. Длина волны λ для γ-излучения меньше междуатомных расстояний (10-8 см). Энергия γ-излучения Еγ имеет минимальные значения в несколько килоэлектронвольт. Для природных радионуклидов максимальная величина Еγ = 2,62 МэВ (208Тl). Радионуклиды характеризуются строго определенными энергетическими спектрами γ-излучения, которые используются для их анализа (рис. 1.4).
22
Рис. 1.4. Энергетический спектр γ-излучения продуктов распада
226Ra
Гамма-излучение поглощается веществом за счет электромагнитных взаимодействий, подобно заряженным частицам. Однако характер взаимодействия γ-фотонов с веществом иной: причинами различия являются два следующих фактора: 1) γ-фотоны не имеют электрического заряда и поэтому не подвержены кулоновским взаимодействиям; 2) масса покоя γ-фотонов равна 0, поэтому в среде они не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо отклоняются от своего пути (рассеиваются) и выбывают из пучка.
Для γ-фотонов не существует понятие пробега. При прохождении через вещество интенсивность излучения уменьшается по экспоненциальному закону:
I = I0e-μd ,(1.15)
где I0 - исходная интенсивность излучения; I - интенсивность излучения после прохождения слоя вещества толщиной d; μ - коэффициент поглощения (см-1), зависящий от свойств вещества и энергии излучения.
Поглощение γ-излучения веществом происходит за счет трех процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), рассеяния на электронах (комптон-эффект) и образования пары электрон - позитрон (образование пар).
Фотоэффект заключается в поглощении γ-фотона атомом, в результате чего выбивается электрон. При этом энергия γ-фотона передается электрону (за вычетом энергии связи электрона в атоме). Фотоэффект с наибольшей вероятностью будет происходить в том случае, если Еγ будет близка по величине энергии связи электрона. Энергия связи электрона в атоме тем больше, чем глубже электронная оболочка и чем больше атомный номер Z. Поэтому фотоэффект на 80% имеет место на K-оболочке и происходит тем интенсивнее, чем больше Z, т.е. преимущественно на тяжелых ядрах (пропорционально Z5). Понятно, что фотоэффект является ведущим механизмом поглощения для γ-фотонов низких энергий. Реакция фотоэффекта имеет энергетический порог, равный энергии связи K-электрона.
Комптон-эффект является ведущим механизмом поглощения γ-фотонов при энергиях, существенно превышающих энергии связи K-электронов. Коэффициент поглощения за счет комптон-эффекта
23
σ пропорционален Z и числу атомов в единице объема. Поэтому комптоновское поглощение преобладает на легких ядрах. В целом рассеянием называют взаимодействие γ-фотона со свободным или слабосвязанным электроном, в результате которого γ-фотон рассеивается, т.е. меняет свое направление. Различают когерентное и некогерентное (собственно комптоновское) рассеяние. При когерентном рассеянии энергия фотона не изменяется и не происходит ионизации или возбуждения атомов. При некогерентном рассеянии часть энергии γ-фотона передается атому, с которым он взаимодействует. При этом происходит отрыв электрона (ионизация) или переход его на возбужденный уровень. Комптоновское рассеяние на ядрах пренебрежимо мало.
Образование электронно-позитронных пар происходит вблизи ядра при энергиях γ-фотонов Еγ ≥ 1,02 МэВ. Сечение реакции пропорционально Z2. При высоких энергиях, когда сечения реакций фотоэффекта и комптон-эффекта падают до нуля, образование пар становится единственным механизмом поглощения электронов.
Полный коэффициент поглощения равен μ = τ + σ + æ, где τ, σ, æ - коэффициенты поглощения за счет фотоэффекта, комптон-эффекта и образования пар соответственно. Вклад т преобладает при низких энергиях (< 1 МэВ) для тяжелых ядер, поэтому в качестве защиты от природного γ-излучения используют тяжелые элементы (Pb, Fe); а вносит основной вклад при средних энергиях (несколько МэВ), особенно на легких ядрах, поэтому для природного гаммα-излучения в горных породах преобладает рассеяние. Образование пар (æ) типично для высоких энергий. Суммарный коэффициент поглощения для тяжелых элементов имеет минимум в области энергий около 3 МэВ, что необходимо учитывать при проектировании защиты (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Коэффициенты поглощения и рассеяния гамма-излучения в свинце
24
