7 - Oddziaływanie promieniowania X i gamma z materią - efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, tworzenie par elektron-pozyton, absorpcja promieniowania X i gamma, masowy i liniowy współczynnik absorpcji

Promieniowanie γ jest przenikliwym promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 0,025 - 0,0001 [nm], co odpowiada energii 0,05 - kilka [MeV]. Promieniowanie γ jest emitowane przez jądro wzbudzone w wyniku przemiany α lub β. Jeżeli wzbudzone jądro przechodzi do stanu podstawowego w kilku etapach może emitować kilka kwantów γ o różnej energii. Jonizacja właściwa (głównie wtórna) wywołana promieniowaniem γ wynosi 0,01 - 0,1 wartości jonizacji wywołanej przez promieniowanie β o tej samej energii.

Promieniowanie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie 5 pm - 10 nm. Promieniowanie X powstaje w wyniku wychwytu elektronu - jądro przechwytuje elektron z powłoki K, na powstałe miejsce przechodzi elektron z wyższej powłoki i następuje emisja kwantu X. W skutek efektu fotoelektrycznego następuje emisja charakterystycznego (zwyczajowa nazwa linii widmowych atomów pierwiastków) promieniowania X. Wraz z promieniowaniem charakterystycznym występuje emisja elektronów Augera (podobny mechanizm, ale zamiast fotonu emitowany jest elektron).

___________________________________________________________________________

Efekt fotoelektryczny polega na wybiciu przez kwant promieniowania γ elektronu z powłoki atomu (głównie powłoki K - największa gęstość elektronowa), który przejmuje energię padającego kwantu pomniejszoną o energię jonizacji, a na wolne miejsce przechodzi elektron z zewnętrznych powłok, czemu towarzyszy emisja promieniowania X.

Pochłanianie promieniowania γ za pośrednictwem ef. fotoel. zachodzi przy małej energii kwantu i dla dużych liczb atomowych pierwiastka pochłaniającego.

Atomowy współczynnik osłabienia wynikający z ef. fotoel. - τ_a (τ_a = Zτ_e, τ_e - elektronowy ...)

hυ ≥ E_w, E_a ≈ 0 hυ ≤ 0,1 [MeV]

[cm²/atom]
[cm²/atom]

k, n, m - stałe, reszta symboli nie wymaga objaśnienia.

___________________________________________________________________________

Efekt Compton'a - j. w., ale kwant promieniowania γ przekazuje wybitemu elektronowi tylko część energii.

W skład energii padającego fotonu (E₀) wchodzi energia jonizacji(E_j), kinetyczna wybitego elektronu (E_k) i energia kwantu rozproszonego (E_γ).

Energia rozproszonego kwantu zależy od kąta rozproszenia ϕ:

m₀ - masa spoczynkowa elektronu, reszta symboli nie wymaga objaśnienia.

Maksymalna energia elektronu:

Dla elektronu odrzutu:

Współczynnik osłabienia wynikający z ef. Compton'a - σ

σ = σ_a + σ_s

σ_a - współczynnik pochłaniania, σ_s - współczynnik rozproszenia.

Przekrój czynny na rozproszenie Compton'a - σ_c:

σ_c = ρ⋅N_A⋅(Z/A)⋅σ_e [cm^-1] (masowy σ_c/ρ [cm²/g])

___________________________________________________________________________

Rozpraszanie Rayleigh'a - padający kwant promieniowania γ jedynie zmienia swój tor, bez zmiany energii.

Współczynnik osłabienia wynikający z rozpr. Rayleigh'a - σ_R

σ_R ~ Z²/(hυ)²

___________________________________________________________________________

Tworzenie par elektron-pozyton związane jest z całkowitym pochłonięciem kwantu γ, pod warunkiem, że energia kwantu jest większa lub równa dwukrotnej wartości energii masy spoczynkowej elektronu (0,51 [MeV]), czyli co najmniej 1,02 [MeV].

Współczynnik osłabienia wynikający z tworzenia pary elektron-pozyton - κ:

κ ~ EZ²

___________________________________________________________________________

Absorpcja promieniowania opisywana jest przez spadek natężenia wiązki przy przejściu przez ośrodek o określonej grubości warstwy. Miarą natężenia wiązki jest szybkość zliczeń rejestrowana przez licznik promieniowania.

μ - liniowy współczynnik absorpcji (μ/ρ = μ_ρ - masowy wsp. abs.)

μ = τ_a + σ + κ (masowy: μ_ρ = τ_a/ρ + σ/ρ + κ/ρ)

Grubość połówkowa - jest to grubość warstwy absorbentu redukującej natężenie wiązki o połowę: l_½ = ln2/μ

---