Теоретична частина. Гама-промені представляють собою короткохвильове електомагнітне випромінювання з довжиною хвилі утворюється при багатократних ядерних перетвореннях

Гама-промені представляють собою короткохвильове електомагнітне випромінювання з довжиною хвилі утворюється при багатократних ядерних перетвореннях (радіоактивному розпаді ядер, в ядерних реакціях з участю стабільних ядер). Подібно тому, як атоми при переході із збудженого стану в нормальній (чи інший стан з меншою енергією збудження) випромінюють енергію у вигляді кванта світла, так і атомні ядра при переході із збудженого стану в нормальний випромінюють енергію у вигляді гама-квантів. Спектр гама-променів має лінійний характер, тобто складається з набору визначених за величиною квантів з енергією . Взаємодія потоку гама-квантів (фононів високої енергії) з речовиною характеризується тим, що кожен фотон вибиває з падаючого пучка в результаті одиничного акту за рахунок одного з наступних трьох процесів: фотоефекту, комптонівського поглинання та утворення пар.

1) Якщо енергія фотонів порядку десятих частин МеВ, то фотон взаємодіє з атомом як цілим, при цьому один із К чи L атомних електронів отримують всю енергію фотону.

Рис. 1.

Електрон виштовхується з атома з енергією, що дорівнює (), де B – енергія зв’язку електрону в атомі. Для свинцю при енергії > 0,088МеВ поглинання обумовлене К -електронами, нижче цієї енергії, L -електронами.

2) Якщо енергія гама-кванта порядку 1 МеВ, що значно перевищує енергію зв’язку електронів в атомах, то фотони розсіюються так якби вільні електрони знаходились в стані спокою.

За такого типу розсіювання (комптон-ефект) змінюється напрямок імпульсу фотону та величина його імпульсу і енергії. Падаючий квант з енергією віддає частину своєї енергії електрону, що вилітає під кутом φ, а розсіяний квант з енергією спостерігається під кутом (рис. 2).

Рис. 2.

3) Якщо енергія гама-квантів порядку декількох МеВ, то в полі ядра чи в полі електронів такий фотон може перетворитися в електрон і позитрон (рис. 3).

Рис. 3.

При проходженні вузького паралельного монохроматичного пучка гама-променів через речовину їх інтенсивність I зменшується за рахунок процесів, що подані вище. Зменшення інтенсивності - dI пропорційно товщині шару речовини dx та інтенсивності I падаючого пучка

(1)

Тут μ – коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи поглинаючої та розсіючої речовини, а також від енергії падаючих квантів, який називають коефіцієнтом поглинання.

Проінтегрувавши вираз (1), отримаємо, що інтенсивність пучка, що пройшов

(2)

Прологарифмувавши вираз (2), отримаємо

(3)

Так як товщину шару х можна виразити в сантиметрах, а також числом атомів чи електронів на 1 , то в залежності від вибраних одиниць виміру коефіцієнт поглинання буде –

лінійний ;

масовий ;

атомний ;

електронний

Тут – густина речовини; А - атомна маса; N - число Авогадро; Z - число електронів у атомі.

Так як три основні процеси (фотоефект, розсіювання та народження пар) відбуваються незалежно, то повний коефіцієнт ослаблення μ можна представити як суму трьох коефіцієнтів, обумовлених: фотоефектом (τ), розсіянням атомів електронами (σ) та утворенням пар ().

Вклад кожного із коефіцієнтів чи роль взаємодії гама-квантів добре видно на рис. 4, на якому приведена залежність коефіцієнтів ослаблення від енергії фотонів для свинцю.

На практиці величину визначають, порівнюючи інтенсивність та після проходження гама-променів шарів речовини товщиною та .

На основі (3) отримаємо:

та ,

тому (4)

Так як в даній роботі інтенсивності та визначаються за числом імпульсів, зареєстрованих радіометром, то формула (4) коефіцієнта поглинання гама-променів через число імпульсів виражається:

, (5)

Де - середнє число частинок, зареєстрованих радіометром при товщині шару , а - при товщині шару ; n – фон приміщення.

Характеристикою здатності речовини поглинати гама-промені є також товщина шару половинного ослаблення, після проходження якої інтенсивність потоку гама-променів ослаблюється вдвічі. Товщина шару половинного ослаблення для гама-променів визначається за формулою

(6)