Додаткові теоретичні відомості. Гамма-промені – короткохвильове електромагнітне випро­мінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі (l < 10–10 м)

Гамма-промені – короткохвильове електромагнітне випро­мінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі
(l < 10^–10 м). Вони являють собою потік g -квантів (фотонів) з енергією hn та імпульсом hn /c. Гамма-випромінювання є одним із видів радіоактивного випромінювання та, як пра­ви­ло, супроводжує a- і b- розпади. На дослідах встановлено, що g -промені випускаються не материнським, а дочірніми ядрами, які в момент свого утворення збуджені та мають надлишкову енергію порівняно із звичайним, нормальним енергетичним станом незбудженого ядра. За дуже короткий час (10^–13–10^–14 с) дочірнє ядро переходить у нормальний або менш збуджений стан, при цьому випускаючи g -про­мені, що мають дискретний спектр.

При проходженні через речовину внаслідок поглинання та розсіяння інтенсивність g -випромінювання зменшується. Під час проходження через речовину g -квант може взаємо­діяти як з електронною оболонкою атомів (молекул) речо­ви­ни, так і з їх ядрами. Фізичні процеси, що обумовлюють зменшення інтенсивності g -променів при проходженні через речовину є: утворення пар електрон-позитрон, Комптон-ефект, фотоефект і когерентне розсіяння. Можливість виникнення того чи іншого процесу залежить від енергії g -фотонів і фізичних властивостей речовини, яка поглинає ці фотони.

При великих енергіях g -квантів, що перевищують по­двій­ну енергію спокою електрона (hn >2 m ₀ c² = 1.022 МеВ), переважно виникає поглинання променів, пов’язане з утворенням електронно-позитронних пар.

Зі зменшенням енергії фотона збільшується можливість виникнення Комптон-ефекту. В 1925 році А. Комптон, досліджуючи розсіяння рентгенівських променів, визначив, що в розсіяному випромінюванні присутні як коливання з частотою падаючого випромінювання n ₀ , так і коливання з частотою n ₁ , меншою ніж n ₀. Ефект зменшення частоти розсіяного випромінювання одержав назву ефекту Компто­на. При цьому ефекті енергія падаючого фотона hn ₀ частково витрачається на відрив електрона від атома, тобто на роботу виходу А_в, та надання електрону кінетичної енергії W_к. Цей електрон називають електроном віддачі, або комптонівським електроном. За законом збереження енергії hn ₀ = hn ₁ + А_в + W_к енергія розсіяного фотона hn ₁ (і, отже, й частота випромінювання) буде меншою від енергії пада­ючо­го фотона. Ефект Компотна частіше за все спостері­гається для енергій гамма-випромінювань, менших за енер­гію подвійної маси спокою електрона та більших від енергії зв’язку електрона з атомом. Його також називають некоге­рент­ним розсіянням гамма-випромінювання, так як відбу­ваєть­ся зміна частоти фотона, який поглинається.

Із зменшенням енергії гамма-фотонів збільшується можливість взаємодії кванта з електронами атомів. Виникає фотоефект, при якому електрони вириваються із внутрішніх шарів електронної оболонки. Цей процес називають ще фотоелектричним поглинанням g -променів. Коефіцієнт фо­то­­електричного поглинання m_фе залежить від атомного номера Z речовини і довжини хвилі гамма-випроміню­вання:

m_фе ~ Z^m lⁿ.

Сталі m і n, в залежності від енергії квантів, змінюють свої значення в межах m = 2.9¸4.4, n»3.

При невисоких енергіях фотона гамма-випромінювання при взаємодії його з речовиною (подібно рентге­нівсь­кому) може виникати і когерентне розсіяння, при якому зміню­ється лише напрямок розповсюдження випро­мі­нювання без зміни його енергії (частоти).

Враховуючи всі ці процеси, що характеризують взаємо­дію гамма-випромінювання з речовиною, можна записати закон Бугера для послаблення інтенсивності І_L цього випро­мінювання або потоку частинок N_L по мірі проходження шару речовини товщиною L:

І_L = І₀× e ^{–m × L}, N_L = N₀× e ^{–m × L}.

Коефіцієнт m – це лінійний коефіцієнт послаблення, ве­ли­­чи­­на якого оберненопропорційна такій товщині поглина­ючої речовини, на якій інтенсивність випромінювання змен­шу­ється в е разів. Його значення можна знайти, скористав­шись формулою:

m = (1/L) × ln (N₀/N_L).

Однією з характеристик захисних властивостей речови­ни від іонізуючого випромінювання є товщина шару поло­вин­ного послаблення L _1/2, на якому інтенсивність випромі­нювання зменшується вдвічі. Враховуючи закон Бугера, мож­на знайти значення L _1/2: , звідки
L _1/2 = ln2 / m = 0.693 / m.