Эффект образования пар


Эффект образования электрон-позитронной пары (пар-эффект) наблюдается только при энергиях гамма‑квантов, превышающих суммарную энергию покоя образованной пары. Этот эффект заключается в том, что фотон, не имеющий массы покоя, вблизи атомного ядра превращается в две материальные частицы (точнее – в частицу и античастицу). Так как энергия покоя позитрона равна энергии покоя электрона (m0c2), то в качестве их суммарной энергии следует принять удвоенную энергию покоя электрона 2m0c2=1,02 МэВ. При этом первичный гамма‑ квант исчезает, а свободная энергия, превышающая 1,02 МэВ, распределяется между электроном и позитроном. Теоретически этот процесс наиболее вероятен в поле атомного ядра (рис.3.5 ), хотя не исключена возможность образования электронно-позитронной пары в поле атомного электрона. Однако, вероятность последнего процесса значительно меньше, чем первого.

Эффект образования пар


Рисунок 5- Эффект образования пары.

Уравнение баланса энергии при пар-эффекте имеет следующий вид:

Еg — 1,02 МэВ = Еķ+ + Еķ

В виду того, что массы электрона и позитрона равны, то наиболее вероятно равное распределение энергии между ними: Еķ+ = Еķ . В дальнейшем кинетическая энергия двух этих частиц расходуется на ионизацию атомов среды. Замедлившийся электрон будет захвачен одним из атомов среды, превратив его в ион. Позитрон, замедлив свое движение в процессе ионизации вещества, взаимодействует с одним из электронов. Происходит явление аннигиляции. Электрон и позитрон исчезают, а высвободившаяся при этом энергия излучается в виде двух гамма‑квантов, суммарная энергия которых составляет: Е1 + Е2 =1,02 МэВ.

Таким образом, при пар — эффекте энергия первичного гамма‑кванта в конечном счете преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц (электронов) и энергию вторичного (аннигиляционного) излучения.

Вероятность эффекта образования пары растет с увеличением энергии гамма ‑ излучения и атомного номера вещества. Следует, однако, иметь в виду, что энергия гамма ‑ излучения естественных радионуклидов редко превышает 3 МэВ, поэтому эффект образования пары для них маловероятен. Он более характерен для ядерных реакций и аппаратных источников гамма-излучения.


Эффект образования парКак правило, при прохождении через вещество моноэнергетического гамма‑ излучения идут не более, чем два процесса: фотоэффект и комптон- эффект или комптон- эффект и пар-эффект. При немоноэнергетическом излучении могут идти все три процесса одновременно. Поэтому, по аналогии с комптон-эффектом, здесь можно говорить о коэффициенте передачи энергии ķn и коэффициенте рассеяния энергии ķs гамма‑излучения. Из двух указанных коэффициентов будет складываться полный линейный коэффициент ослаблениягамма‑излучения за счет пар-эффекта: ķ = ķn + ķs . Линейный коэффициент ослабления для пар-эффекта ķ можно рассчитать по формуле:



 

где r – плотность вещества, г/см3 ;

Z – атомный номер вещества;

А – атомная масса вещества;

F* – коэффициент, зависящий от энергии гамма‑квантов.

Линейный коэффициент передачи энергии ķn при пар-эффекте вычисляют по формуле:
ķn = (1 – 1,02 / Еg )· ķ , см-1

Вероятность эффекта образования пары растет с увеличением энергии гамма‑излучения и атомного номера вещества.

Как правило, при прохождении через вещество моноэнергетического гамма‑излучения идут не более, чем два процесса: фотоэффект и комптон-эффект или комптон-эффект и пар-эффект.


и определенных условиях один из эффектов может доминировать
в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом рождаются электроны. Эти электроны, обладающие значительно большей ионизирующей способностью, чем гамма-кванты, являются информативным признаком наличия гамма-излучения. Поэтому многие методы дозиметрии гамма-излучения основаны именно на регистрации вторичного бета-излучения.

 

Источник: studopedia.su

Источник: www.chem21.info

Взаимодействие гамма-квантов с веществом

    При прохождении гамма-излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка
γ-квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества.
    На рис. 1 показано полное эффективное сечение взаимодействия с веществом фотонов с энергиями от 10 эВ до 100 ГэВ для двух поглощающих материалов — углерода (Z = 6) и свинца (Z = 82). Выделены вклады различных физических процессов в полное сечение поглощения.

    Как видно из этих рисунков, эффективное сечение фотоэффекта (σph) на атомах вещества доминирует при энергиях фотонов ниже ~0.1 МэВ в углероде и ниже ~1 МэВ в свинце.
    Вторым по величине вклада в полное сечение в этой же области энергий гамма-квантов является когерентное рассеяние фотонов на атомах вещества (релеевское рассеяние). Ни ионизации, ни возбуждения атомов при релеевском рассеянии не происходит, гамма-квант рассеивается упруго.
    При энергиях гамма-кванта выше ~0.1 МэВ в веществе с малыми значениями Z и выше ~1 МэВ в веществах с большим Z главным механизмом ослабления первичного пучка гамма-квантов становится некогерентное рассеяние фотонов на электронах вещества (эффект Комптона).
    Если энергия гамма-кванта превышает удвоенную массу электрона 2meс2 = 1.02 МэВ, становится возможным процесс образования пары, состоящей из электрона и позитрона. Сечение рождения пары в поле ядра (σnp на рис. 1) доминирует в области высоких энергий фотонов. На рис. 1 показано также сечение образования пар в поле атомных электронов (σep).
    Перечисленные выше механизмы взаимодействия гамма-квантов с веществом не затрагивали внутренней структуры атомных ядер.
    При больших энергиях гамма-квантов (Е > 10 МэВ) увеличивается вероятность процесса взаимодействия фотона с ядрами вещества с возбуждением ядерных состояний. Если энергия кванта больше энергии связи нуклона в ядре, поглощение гамма-кванта высокой энергии будет сопровождаться вылетом нуклона из ядра. При энергиях гамма-квантов около 20-25 МэВ для легких ядер (А < 40) и 13-15 МэВ для тяжелых ядер в эффективном сечении ядерного фотопоглощения наблюдается максимум, который называется гигантским дипольным резонансомGDR на графиках рис. 1).
    В области энергий гамма-квантов, излучаемых возбужденными ядрами при переходах в основное и низшие возбужденные состояния, т. е. при Eγ от 10 кэВ до примерно 10 МэВ наиболее существенны три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское (некогерентное) рассеяние, фотоэффект и образование пар электрон-позитрон. Суммарное эффективное сечение в этой области энергий является суммой эффективных сечений отдельных процессов, участвующих в ослаблении первичного потока:

Эффективное сечение каждого из процессов, рассчитанное на один атом поглотителя, является функцией как энергии гамма-излучения, так и атомного номера Z вещества поглотителя.
    Уменьшение интенсивности I(x) моноэнергетичного коллимированного пучка гамма-квантов не слишком толстым слоем х однородного вещества происходит экспоненциально:

где n — концентрация атомов поглотителя. Величину τ (она обычно выражается в см-1) называют линейным коэффициентом поглощения. На рис. 2 и 3 показаны зависимости линейного коэффициента поглощения фотонов в алюминии и свинце от энергии фотонов.

Источник: nuclphys.sinp.msu.ru

 Третий вид взаимодействия излучений с веществом – превращение гамма-кванта больших энергий (свыше 1 МэВ) в пару заряженных частиц – эффект образования пары элекрон-позитрон. Гамма-кванты, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару частица-античастица: «электрон-позитрон». При этом одна форма материи – гамма излучение преобразуется в другую – в частицы вещества. Вероятность образования пары «электрон-позитрон» для тяжелых элементов больше, чем для легких.

Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает (аннигилирует), превращаясь в два вторичных гамма-кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц позитрона и электрона (0,511 МэВ). Вторичные гамма-кванты способны вызвать лишь комптон-эффект и в конечном счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударении с электронами. Процесс образования пар увеличивается с возрастанием энергии гамма-квантов и плотности поглотителя.

Таким образом, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2-2 МэВ, поэтому наиболее вероятен эффект Комптона.

В результате каждого из трех процессов взаимодействия излучения с веществом в облученной среде возникает большое количество быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации вещества.

Электромагнитные излучения ионизацию непосредственно не вызывают, но при взаимодействии с веществом образуют фотон и комптоновские электроны, которые, в свою очередь, ионизируют среду – поэтому их называют косвенно ионизирующим излучением.

Источник: kto.guru

При энергиях γ-квантов, превышающих 2mec2, наблюдается процесс поглощения квантов с образованием пары электрон-позитрон. Энергия кванта тратится на создание этих двух частиц и на сообщение им кинетической энергии. Из законов сохранения энергии и импульса можно показать, что процесс рождения пары не может происходить в вакууме. Он происходит в кулоновском поле какой-либо частицы, получающей часть импульса и энергии.

Образование пары может иметь место тогда, когда энергия кванта удовлетворяет соотношению

Эффект образования пар , (6.17)

где первый член соответствует энергии рождения пары электрон–позитрон, а второй член есть энергия отдачи частицы, в поле которой произошло рождение пары. Такой частицей может быть атомное ядро, электрон или даже другой квант.

Чем сильнее поле, с которым взаимодействует квант, тем вероятнее образование этих пар. Сечение процесса пропорционально Z2 и растет с увеличением энергии γ-кванта.

Поэтому вероятность рождения пары в поле электрона мала по сравнению с вероятностью рождения пары в поле ядра. Только для γ-квантов с энергией больше 10МэВ и на легких ядрах вероятность образование пары на электроне становится сравнимой с вероятностью этого процесса в поле ядра.

Закон сохранения энергии для рождения пары электрон-позитрон имеет вид:

Эффект образования пар , (6.18)

здесь Эффект образования пар , Эффект образования пар – кинетические энергии электрона и позитрона.

Поскольку энергия отдачи ядра очень мала из-за большой массы по сравнению с массой электрона и позитрона, то практически порог рождения пары в поле ядра Еγпор≈2mec2=1,022 МэВ, а в поле электрона Еγпор=4mec2=2,044 МэВ, так как энергию отдачи получает электрон, имеющий такую же массу и пренебречь ее величиной уже нельзя.

Источник: studopedia.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.