Реферат: Радіоактивність

Фотоефект . Фотоефектом називається така взаємодія γ- кванта з атомом, при якому γ - квант поглинається повністю (зникає), а з атома виривається електрон. Одна частина енергії γ- кванта Ej витрачається на розрив зв'язку електрона з ядром ε_е- , інша частина перетворюється в кінетичну енергію електрона E_е- :

. (3.2.3.11)

Перша особливість фотоефекта полягає в тому, що він відбувається тільки тоді, коли енергія γ - кванта більша за енергію зв'язку електрона в оболонці атома.

Фотоелектрон рухається майже перпендикулярно до напрямку поширення поглинутого γ- кванта (рис. 2.3). Рух фотоелектрона збігається з напрямком коливання електричної напруженості електромагнітного поля. Це показує, що фотоелектрон виривається з атома електричними силами.

Друга особливість фотоефекту - збільшення фотоелектричного поглинання γ- квантів з ростом енергії зв'язку електронів в атомі. Фотоефект практично не спостерігається на слабко зв'язаних електронах атома. При енергії γ- кванта >>ε_e- їх можна вважати вільними. Такий електрон не може поглинати γ- квант. Це випливає із законів збереження енергії й імпульсу:

. (3.2.3.12)

Фотоефект в основному відбувається на К - і L - оболонках атомів. Згідно з другим рівнянням вільний електрон, поглинувши γ- квант, повинен був би рухатися зі швидкістю, у два рази більшою за швидкість світла, що заперечує теорія відносності.

Лінійний коефіцієнт ослаблення фотоефекту μ_ф різко зменшується із збільшенням енергії, і при енергіях понад 10 МеВ у свинці практично не виникають фотоелектрони.

Комптон-ефект . На слабко зв'язаних атомних електронах відбувається розсіювання γ-квантів, яке називається комптон- ефектом . Взаємодія γ-кванта з електроном у комптон-ефекті це пружне зіткнення двох кульок з масами і m_е (див. рис.3.2.3).

У кожному пружному зіткненні γ - квант передає частину своєї енергії електрону і розсіюється. Оскільки розсіювання γ - квантів залежить від концентрації атомних електронів N_e ~z, то і комптон - ефект визначається порядковим номером речовини z . Розсіювання γ – квантів відбувається головним чином на слабо зв’язаних електронах зовнішніх оболонок атомів.

Рис. 3.2.3

Лінійний коефіцієнт ослаблення комптон - ефекту μ_к пропорційний відношенню z/E_j . Тому зі збільшенням енергії доля розсіяних γ - квантів зменшується.

У свинці комптон - ефект починає переважати над фотоефектом в енергетичній області E_j > 0.5 МеВ (див. рис.2.4). Зменшення коефіцієнта μ_к із збільшенням енергії γ - квантів більш плавне, ніж коефіцієнта μ_ф . Тому в області енергії E_j > 0.5 МеВ у свинці утвориться більше комптон - електронів, ніж фотоелектронів. Комптон - ефект стає незначним при енергіях понад 50 - 100 МеВ.

Утворення електрон-позитронних пар . Гамма - квант у полі ядра може утворити пару частинок: електрон і позитрон (див. рис.3.2.4). Вся енергія γ - кванта перетворюється в енергію спокою електрона й позитрона 2m_е c² і в кінетичні енергії цих частинок E_е і E_е - . Умова утворення електрон-позитронної пари знаходиться із закону збереження енергії:

hv =2m_e c² +E_e- +E_e+ . (3.2.3.13)

Пари частинок виникають тільки в тому випадку, якщо енергія γ - кванта перевищує подвоєну масу спокою електрона, рівну 1.02 МеВ. Поза полем ядра або, скажимо електрисним полем зарядженої частинки, γ - кванту заборонено перетворюватися в пару частинок, тому що в цьому випадку порушується закон збереження імпульсу. Це випливає, наприклад, із граничної умови утворення пари. Гамма - квант з енергією 1.02 МеВ енергетично може породити електрон і позитрон. Однак їх імпульс буде дорівнювати нулю, тоді як імпульс γ - кванта дорівнює hv/c, тобто не може дорівнювати нулю.

У полі ядра імпульс і енергія γ - кванта розподіляються між електроном, позитроном і ядром без порушень законів збереження енергії й імпульсу. Маса ядра незрівнянно більша маси електрона і позитрона, тому воно одержує дуже малу частку енергії. В цьому випадку вся енергія γ – кванта перетворюється в енергію електрона й позитрона. Лінійний коефіцієнт ослаблення, пов’язаний з утворенням електрон-позитронної пари μ_п пропорційний z² /lnE_j . Цей ефект помітний у важких речовинах при великих енергіях. Коефіцієнт μ_п стає відмінним від нуля при граничній енергії E_j = 1.02 МеВ. Починаючи з енергії 10 МеВ основне поглинання γ - квантів відбувається в полі ядра. Повний лінійний коефіцієнт ослаблення μ як сума трьох коефіцієнтів із збільшенням енергії спочатку зменшується (див. рис.3.2.4) приймаючи мінімальне значення при енергії 3 МеВ , а потім збільшується.

Такий хід кривої пояснюється тим, що при низьких енергіях залежність μ(Ej) обумовлюється фотоефектом і комптон- ефектом, а вже при енергіях більших за 3 МеВ , у коефіцієнт μ основний внесок дає ефект утворення електрон-позитронної пари. Свинець найбільш прозорий для γ - квантів з енергією близько 3 МеВ .

Рис. 3.2.4

Взаємодія випромінювання з речовиною відбувається в одних ефектах поглинанням γ - квантів (фотоефект, утворення пар), в інших розсіюванням (комптон - ефект). Тому повний лінійний коефіцієнт часто поділяють на дві складові:

, (3.2.3.14)

де μ_а = μ_ф +μ_п - лінійний коефіцієнт поглинання; μ_s = μ_к - лінійний коефіцієнт розсіювання.

Використовуючи лінійний коефіцієнт поглинання легко розрахувати енергію випромінювання Е , поглинену в одиниці об'єму речовини. Якщо потік моноенергетичних γ - квантів з енергією E_j дорівнює Ф , то:

. (3.2.3.15)

Процес перетворення g-кванта в електрон-позитронну пару записують так:

(3.2.3.16)

де - електрон; - позитрон.

Зворотний процес взаємодії позитрона й електрона називаються анігіляцією

(3.2.3.17)

При проходженні g- променів у речовині наряду із фотоефектом, комптонівським розсіюванням і утворенням електрон-позитронних пар, спостерігаються також резонансні явища. Якщо ядро опромінювати g- квантами з енергією, яка дорівнює різниці одного із збуджених нуклонних рівнів і основного енергетичного стану ядра, то спостерігається резонансне поглинання g-випромінювання ядрами. Ядра здатні поглинати енергію g-квантів в тих випадках, коли вони можуть випромінювати такі ж g-кванти у випадку збудженого стану. Це явище вперше спостерігав у 1958 році Мессбауер, яке на його честь було названо ефектом Мессбауера. Явище Мессбауера має досить широке використання в медичній діагностиці.