Эффект образования пар

γ -квант в поле ядра и реже в поле электрона может образовать пару частиц: электрон и позитрон (рисунок 8.2, в). Вся энергия γ -кванта преобразуется в энергию покоя электрона ипозитрона 2т_ес² и их кинетическую энергию E_e+ и E_e-. Условие образования пары определяется из закона сохранения энергии:

E_γ = 2m_ec² + E_e- + E_e+ (8.21)

Пара частиц возникает только в том случае, если энергия γ -кванта превышает удвоенную энергию покоя электрона, равную 1,02 МэВ. Вне поля ядра γ -квант не может образовать пару электрон–позитрон, так как в данном случае нарушается закон сохранения импульса. Это следует, например, из предельного условия образования пар. γ -квант с энергией 1,02 МэВ энергетически может породить электрон и позитрон. Однако их импульс будет равен нулю, тогда как импульс γ -кванта отличен от нуля и равен E_γ/c.

В поле ядра образование пары электрон – позитрон становится возможным. Импульс и энергия γ -кванта распределяются между электроном, позитроном и ядром без нарушений законов сохранения энергии и импульса. Масса ядра намного больше массы электрона и позитрона, поэтому ядро получает пренебрежимо малую долю энергии. Практически вся энергия γ -кванта преобразуется в энергию электрона и позитрона.

Линейный коэффициент ослабления эффекта образования пар:

μ_п ~ Z² ´ lnEγ. (8.22)

Этот эффект заметен в тяжелых веществах при больших энергиях. Коэффициент μ_п становится отличным от нуля при пороговой энергии E_γ = 1,02 МэВ. Сувеличением энергии коэффициент μ_п резко растет. Начиная с энергии 10 МэВ основное поглощение γ -квантов происходит в поле ядра (рисунок 8.3).

Линейный коэффициент ослабления μ тяжелых элементов как сумма трех коэффициентов с увеличением энергии сначала уменьшается, проходит минимум при энергии около 3 МэВ, затем снова увеличивается. Такой ход кривой, приведенной для свинца на рисунке 8.3, объясняется тем, что при низких энергиях зависимость μ(Е_γ) обусловливается фотоэффектом и комптон-эффектом, а уже при энергиях больше 3 МэВ основной составляющей коэффициента μ становится коэффициент μ_п. Тяжелые вещества наиболее прозрачны для γ -квантов с энергией около 3 МэВ.