Взаимодействие фотонов с веществом

Общее рассмотрение

При прохождении через вещество фотоны испытывают взаимодействие с сильно связанными электронами, т. е. с атомом как целым (фотоэлектрический эффект, когерентное рассеяние), с полем ядер (образование электроно-позитронных пар) или со свободными электронами (эффект Комптона, образование триплетов).

В контексте фотонных взаимодействий связанный электрон — это орбитальный электрон с энергией связи на оболочке порядка или немного выше, чем энергия фотонов, в то время как свободный электрон — это электрон с энергией связи много меньшей, чем энергия фотона.

В области энергий фотонов от нескольких кэВ до нескольких МэВ, представляющих наибольший интерес для ЯМ основными процессами взаимодействия фотонов с веществом являются фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. Значительно меньшую роль играет когерентное (или томсон-релеевское) рассеяние на связанных электронах и фото-ядерные реакции. Во время взаимодействия фотоны могут полностью исчезнуть (фотоэффект, образование пар и триплетов) или рассеяться когерентно (когерентное рассеяние) или некогерентно (эффект Комптона). Поперечные сечения взаимодействия фотонов зависят от их энергии Еу и от атомного номера среды Z.

Фотоэлектрический эффект

При фотоэлектрическом эффекте фотон взаимодействует с орбитальным электроном, находящимся на i-оболочке, и поглощается, передавая всю свою энергию этому электрону, который в результате выбивается из атома с кинетической энергией.

где BE_t — энергия связи на i-оболочке.

После выбивания связанного электрона появившаяся на оболочке свободная вакансия заполняется электроном с вышерасположенной оболочки и событие фотопоглощения заканчивается испусканием характеристического фотона или электрона Оже (рис. 1.16).

При Еу > ВЕ_К основную роль в фотоэффекте играют электроны на К-оболочке, и сечение фотоэффекта Оф на К-оболочке составляет 80% от полного сечения фотоэффекта. При Еу < ВЕ_К процесс будет идти на других оболочках. Поэтому в зависимости Оф от энергии фотонов наблюдаются скачки при энергиях фотонов, равных энергии связи на К-, L-, М- и других оболочках.

Рис. 1.16. Схематическое изображение фотоэлектрического поглощения фотона и последующего испускания характеристического фотона.

Существует немало формул, в том числе и теоретических, выражающих зависимость Оф от Еу и от Z. Однако все они имеют приближенный характер. Качественная зависимость Оф на К-оболочке от этих переменных для фотонов больших энергий (Еу > > т_ес²) описывается формулой Заутера:

где r_e = е²/(т_ес²) = 2,82 • 10 ¹⁵ м — классический радиус электрона.

Для нерелятивистской области (ВЕ_К < Еу << т_ес²) справедлива приближенная формула Гайтлера.

Таким образом, сечение фотоэффекта сильно зависит от атомного номера среды (~Z⁵) и быстро убывает с ростом энергии фотона (рис. 1.17). Поэтому этот эффект играет особо существенную роль в области малых энергий фотонов и для веществ с большими Z.

Рис. 1.17. Зависимость микроскопических сечений взаимодействия фотонов, отнесенная к одному атому, от энергии фотонов углерода и свинца.

Средняя энергия, передаваемая в среде электронам при фотоэффекте фотонов с энергией Еу > ВЕ_К, равна.

где Р_к — доля событий фотоэффекта, происходящих на К-оболочке; (% — выход характеристического излучения с iC-оболочки.

Величина Р_к изменяется от 1,0 для элементов с малым Z до 0,8 для элементов с большим Z.