Б. Взаимодействие гамма-излучения с веществом.

Отличие природы гамма-излучения от альфа- и бета-излучения (отсутствие заряда и массы покоя у гамма-квантов) приводит к принципиально другому механизму взаимодействия этого излучения с веществом. Ионизация и возбуждение среды происходит за счет вторичных ионизирующих частиц. Первичное же взаимодействие гамма-квантов с веществом сводится к трем основным процессам (механизмам взаимодействия):

- фотоэффекту;

- комптоновскому рассеянию;

- образованию пары электрон-позитрон.

Фотоэффект заключается в том, что гамма-квант, взаимодействуя с атомом (молекулой или ионом), выбивает из него электрон. При этом сам гамма-квант исчезает, а его энергия передается электрону, который становится свободным (рисунок а) и производит ионизацию и возбуждение аналогично бета-частице.

В процессе комптоновского рассеяния (эффекта Комптона, упругого рассеяния) гамма-квант также выбивает электрон из атома (молекулы или иона), но при этом передает лишь часть своей энергии электрону, а сам меняет направление движения (рассеивается) - рисунок б.

Если энергия гамма-кванта больше 1,02 МэВ, то гамма-квант может превратиться в электрон и позитрон.

Такое преобразование происходит только вблизи атомного ядра и приводит к исчезновению гамма-кванта (рисунок 6в). Образовавшийся позитрон перемещается в веществе, замедляется и взаимодействует с электроном среды. При этом электрон и позитрон исчезают (аннигилируют) с образованием электромагнитного излучения, называемого аннигиляционным.

Вероятность фотоэффекта быстро уменьшается с ростом энергии гамма-квантов. Вероятность комптоновского рассеяния также падает с ростом энергии гамма-квантов, но не так резко, как для фотоэффекта. Вероятность образования пар растет с повышением энергии, начиная с 1,02 МэВ. Можно считать, что в области «малых» энергий гамма-квантов основным механизмом взаимодействия гамма-излучения с веществом будет фотоэффект. В области «средних» энергий - эффект Комптона, а в области «высоких» - образование электрон-позитронных пар. Понятия «малые», «средние» и «высокие» энергии зависят от заряда атомов среды Z. Например, для свинца эти энергетические диапазоны разделяются значениями примерно 0,5 МэВ и 5 МэВ.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом в конечном счете образуются:

а) электроны с высокой энергией, дальнейшая судьба которых принципиально не отличается от судьбы бета-частиц;

б) вторичное электромагнитное излучение - рассеянные гамма-кванты и аннигиляционное излучение.

В целом отличие физической картины взаимодействия альфа-, бета- и гамма-излучения проявляется лишь на начальной стадии, длящейся миллиардные доли секунды. Энергия, переданная частицами веществу, превращается в энергию вторичных частиц - электронов, фотонов -и электронные возбуждения, которые ведут себя подобным образом независимо от того, какая ионизирующая частица их породила. Они «разменивают» свою энергию на образование большого числа новых электронов, фотонов и электронных возбуждений с меньшей энергией (этот процесс называют «диссипацией энергии»), распространяя действие первичной частицы на некоторый объем.

Итог взаимодействия зависит от агрегатного состояния вещества. Для газов (в том числе, для воздуха) ионизация и возбуждение молекул является основным результатом действия излучения, хотя наряду с этим в большей или меньшей степени происходят химические реакции (в газах они затруднены из-за большого расстояния между молекулами), приводящие к образованию новых веществ. Для жидкостей химические реакции образовавшихся химически активных частиц (ионов, радикалов) являются уже главным эффектом влияния радиации. Действие радиации на твердые тела также часто приводит к химическим превращениям и всегда - к дефектам их кристаллической решетки (нарушениям электронной структуры, вакансиям, междоузельным атомам, дислокациям и т. д.), рождение и эволюция которых во времени и объеме вещества представляют достаточно сложную задачу.

Химические превращения, протекающие в веществе в результате воздействия излучения, изучает радиационная химия. Влияние радиации на структуру вещества и, соответственно, модификацию его свойств изучает радиационное материаловедение, имеющее, как и радиационная химия, высокую значимость и с фундаментальной (развитие естествознания), и с прикладной (развитие технологий) точки зрения.