2

268 Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki

W ćwiczeniu badany jest eksperymentalnie proces oddziaływania promieniowania y z materią, dokładnie wydajność absorpcji tego promieniowania przez ciała stałe. Promieniowanie y słabo oddziałuje z materią (mała wydajność absorpcji) i dlatego jest ona zauważalna w ciałach stałych i gęstych cieczach, natomiast dla gazów jest praktycznie niezauważalna.

Oznaczmy przez /„ natężenie padającej wiązki monochromatyczne) promieniowania y. Po przejściu przez dowolny absorbent o grubości .v natężenie wiązki    i

promieniowania y ulega osłabieniu i można przedstawić je za pomocą wykładniczego równania:

/(x) = /₀e“*'    (34.2)

gdzie:

I - natężenie wiązki po przejściu przez absorbent o grubości x, k - całkowity liniowy współczynnik pochłaniania (absorpcji), który wskazuje, jaka część promieniowania AJ została usunięta z pierwotnej wiązki l₀ przy przejściu przez jednostkę grubości absorbenta.

Wartość całkowitego współczynnika absorpcji zależy od rodzaju absorbenta i od energii promieniowania. Przy przejściu przez dowolną substancję promieniowanie y zostaje pochłonięte w trzech procesach:

•    fotoefektu

•    rozproszenia comptonowskiego

•    tworzenia par elektron - pozyton.

W każdym z tych procesów promieniowanie traci energię całkowicie lub częściowo i zmienia kierunek propagacji, co jest jednoznaczne z ubytkiem kwantów z pierwotnej wiązki padającego promieniowania. Dla każdego z procesów można wprowadzić częściowe współczynniki pochłaniania: dla zjawiska fotoelektrycz-nego - kj, dla zjawiska tworzenia par elektron - pozyton - k_p i dla rozpraszania w zjawisku Comptona - k_c Całkowity współczynnik pochłaniania jest sumą trzech współczynników dla wymienionych procesów:

k = k_f + k_p + k_c

Zjawisko fotoelektryczne polega na oddziaływaniu kwantów promieniowania y z elektronami atomów, w wyniku którego kwant y zostaje całkowicie pochłonięty:

y + e, -*e,

gdzie: e. - elektron związany, e, - elektron swobodny.

Energia kwantu y zostaje zużyta na pokonanie energii wiązania elektronu i nadanie mu znacznej energii kinetycznej. Zjawisko to nie może zachodzić dla elektronów swobodnych, ponieważ w tym przypadku nie może być spełnione prawo zachowania pędu. Z tego powodu zjawisko fotoelektryczne najefektywniej

zachodzi dla silnie związanych elektronów wewnętrznych, wówczas nadmiar pędu przejmuje jądro atomowe. W związku z tym prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska fotoelektrycznego bardzo silnie zależy od liczby atomowej Z absorbenta (w przybliżeniu - Z⁵) oraz szybko maleje ze wzrostem energii kwantu. Zależność Z⁵ powoduje, że z łatwo dostępnych materiałów najlepszym absorbentem promieniowania rentgenowskiego i promieniowania y jest ołów.

Zjawisko Comptona polega na rozpraszaniu kwantów na elektronach swobodnych:

y + e, -*y '+e_K

gdzie:

e, — elektron swobodny, e_R — elektron rozproszony, y' - kwant rozproszony.

W zjawisku Comptona zostaje zachowana energia i pęd. W oparciu o te dwie zasady zachowania można wyznaczyć wartość straty energii kwantu oraz energię rozproszonego elektronu. Zjawisko Comptona zachodzi z największą wydajnością dla elektronów walencyjnych. Elektrony walencyjne, czyli związane na powłokach zewnętrznych, można traktować jako swobodne, gdyż ich energia wiązania jest bardzo mała w porównaniu z energią kwantu y. Prawdopodobieństwo wystąpienia efektu Comptona jest w przybliżeniu proporcjonalne do liczby atomowej Z i maleje ze wzrostem energii kwantu. Dla energii z zakresu 0,5-5 MeV udział zjawiska Comptona w całkowitej absorpcji promieniowania y jest dominujący.

Zjawisko tworzenia par polega na całkowitej absorpcji fotonu (kwantu y) i pojawieniu się pary elektron - pozyton (e^-, e*):

y -* e~ + e*

Dla tej reakcji nie mogą być równocześnie spełnione prawa zachowania energii i pędu (pęd kwantu y jest zawsze większy od pędu pary e*, e~), stąd proces tworzenia pary zachodzi w silnym polu elektrycznym jądra, które przejmuje nadmiar pędu. Zjawisko tworzenia par zachodzi powyżej energii progowej równej 1,02 MeV, gdyż energia kwantu y musi być wyższa od energii spoczynkowej pary elektron - pozyton:

E_r >2-m-c-²

gdzie: m - masa spoczynkowa elektronu.

Dla ilościowego opisu zjawiska pochłaniania promieniowania y wygodnie jest wprowadzić pojęcie warstwy półchionnej d_m. Przy tej grubości warstwy pochłaniającej promieniowanie intensywność strumienia padającego promieniowania zmniejsza się o połowę. Zgodnie ze wzorem (34.2) dla grubości warstwy absorbenta równej grubości warstwy półchionnej otrzymuje się następujący związek pomię-dzy d_ul i liniowym współczynnikiem pochłaniania k: