Теоретична частина. Як відомо, γ - випромінювання є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням

Як відомо, γ - випромінювання є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням. З квантової точки зору це потік фотонів, енергія і імпульс яких визначаються співвідношеннями:

(1)

Гамма-випромінювання виникає в процесі переходу ядер з одних енергетичних станів в інші. Атомне ядро, подібно до атома, є квантово-механічною системою з дискретним набором енергетичних рівнів. Знаходячись в основному стані, ядро не може випустити γ-квант, подібно до того, як незбуджений атом не випускає оптичні фотони. процесі радіоактивного розпаду, при ядерних реакціях, при взаємодії ядра з сильним кулонівським полем налітаючої частки і т. п. ядра можуть переходити в збуджений стан. Найбільш вірогідним процесом, що знімає збудження ядра, є випромінювання гама променів.

Поширення випромінювання у вакуумі відбувається безперешкодно, так що, вимірюючи інтенсивність паралельного пучка на будь-якій відстані від джерела, ми, природно, отримали б один і той же результат. При проходженні випромінювання через речовину відбувається послаблення інтенсивності пучка в результаті його взаємодії з атомами речовини. Міра цієї взаємодії визначається, з одного боку, властивостями речовини - його щільністю, розміром атомів і тому подібне, а з іншої - властивостями самого випромінювання.

З різних видів радіоактивного випромінювання найсильніше повинні взаємодіяти з речовиною масивні і такі, що мають заряд α- частинки, тому їх проникаюча здатність мінімальна; γ- промені, що є потоком фотонів, випробовують найменшу взаємодію з речовиною і, відповідно, мають найбільшу проникаючу здатність

Послаблення γ- променів при поширенні в речовині обумовлене, в основному трьома процесами взаємодії: фотоефектом, комптонівським розсіянням і утворенням электрон-позитронных пар в полі ядра.

При фотоефекті енергія γ-кванта цілком поглинається атомом, причому один з електронів атома стає вільним і отримує деяку кінетичну енергію. Вірогідність цього процесу велика тільки при порівнянних значеннях енергії кванта і енергії зв'язку електрона в атомі. Енергія ж γ-квантів порівняно з фотонами оптичного діапазону дуже велика. Тому у фотоефекті можуть брати участь, з одного боку, тільки електрони найглибших внутрішніх оболонок атома, а з іншої - γ-кванти найменшої енергії. При збільшенні енергії γ-променів вірогідність фотоефекту швидко зпадає.

В процесі поглинання γ-квантів з утворенням электрон-позитронной пари е⁺ + е^- енергія кванта витрачається на створення цих двох частинок і на утворення їх кінетичній енергії. Мінімально необхідна для цього енергія складає 2m₀ С² тобто дещо більше 1 МеВ, так що цей процес суттєвий лише для γ-променів дуже великої енергії.

У широкому діапазоні середніх енергій γ-квантів основну роль в послабленні інтенсивності γ-променів відіграє ефект Комптона: розсіяння γ-квантів на вільних або слабо пов'язаних з атомами електронах. В результаті цього процесу замість первинного γ-кванта з'являється розсіяний γ-квант, що летить в іншому напрямі, розсіяний γ-квант, причому частину енергії отримує електрон віддачі. Після ряду зіткнень квант втрачає велику частину своєї енергії і, врешті-решт поглинається.

Взаємодія фотонів з частинами речовини носить статистичний характер: число актів взаємодії пропорціональне готівковому числу квантів (інтенсивності випромінювання) і числу частинок, здатних взаємодіяти. Тому зміна (спад) інтенсивності випромінювання dI в малому шарі товщини dx пропорційно dx і інтенсивності випромінювання I, що падає на цей шар випромінення І:

dI =-μIdx (2)

Коефіцієнт пропорційності μ називають коефіцієнтом послаблення або коефіцієнтом поглинання. Його можна представити у виді: μ = τ σ χ, де τ, σ, χ - коефіцієнти послаблення для фотоефекту, комптон-эффекта і народження пар.

Інтегруючи рівняння (2) з урахуванням початкових умов (I=J₀ при х=0), отримаємо:

(3)

Експоненціальну залежність (3) зручно зображувати в напівлогарифмічних координатах, відклавши по осі абсцис товщину поглинача, а по осі ординат ln(J/J₀). З цього графіку легко визначити коефіцієнт поглинання μ.

У разі переважання комптонівського розсіяння зручно користуватися так званим масовим коефіцієнтом послаблення

μ*=μ/ρ, (4)

де ρ - густина речовини.

Цей коефіцієнт характеризує послаблення γ-променів одиницею маси речовини. Оскільки комптонівський ефект обумовлений зіткненням квантів із зовнішніми електронами атомів, послаблення пучка залежить передусім від концентрації електронів. Але концентрація електронів в речовині приблизно пропорційна його густини, і тому в даному випадку коефіцієнт µ* не повинен залежати від роду речовини. Отримання такого результату в експерименті свідчить про переважаючу роль комптонівського розсіяння.

Швидко заряджена частинка (наприклад, α- або β-частка), що рухається, завдяки існуючому поблизу неї сильному електричному полю здатна виривати електрони з атомів і молекул газу, утворюючи деяке число пар іонів; γ-променів, що не мають заряду, не здатні викликати іонізацію безпосередньо. Проте, як ми переконалися вище, при усіх видах їх взаємодії з речовиною з'являються електрони, що мають значну енергію. Іонізація, що викликається цими вторинними електронами, що утворюються в газі або вириваними із стінок лічильника, якраз і дозволяє реєструвати γ- промені.