Процессы взаимодействия у-излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ -кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии (рис. 12.5, а). Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Условно можно считать Е_γ<0,5 МэВ. Вероятность поглощения τ_ф при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии у-кванта Е_у и химического состава вещества:

где с - постоянная;

т - коэффициент, зависящий от Е_γ , при Е_γ>0,5 МэВ m=1; при

Е_γ < 0,2 МэВ m=3;

z_эф - эффективный атомный номер среды.

Для сред сложного состава z_эф рассчитывают по формуле Поройкова:

где z_i и A_i - атомный номер и атомный вес;

q_i - весовое содержание i-го элемента в среде.

Для веществ, состоящих из легких элементов (z_i/A_i ≈0,5), формула (12.8) упрощается до вида

Таким образом, на фотопоглощение очень сильно влияет даже небольшая примесь в среде элементов с большим атомным номером.

Комптоновское рассеяние (комптон-эффект) - это неупругое рассеяние γ -квантов на электронах вещества, в результате которого γ -квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения (рис. 12.5,6). Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Е_у > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта х_к зависит от сечения комптоновского рассеяния а_к, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества п_е:

где N_o - число Авогадро (N_o= 6,02-10'²³ моль"¹);

р - плотность вещества.

Таким образом, комптон-эффект зависит от плотности вещества.

Образование пар (рождение пар) - происходит при взаимодействии γ -кванта с полем ядра атома, γ -квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон (рис. 12.5, в). Вероятность этого процесса невелика, во-первых, потому, что ядрозанимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия у-кванта должна быть достаточной для этой реакции {Е_γ > 1,02 МэВ).

Рис. 12.5. Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом: фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в), ядерный фотоэффект (г)

Процесс образования пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Кроме 3 основных видов взаимодействия с веществом, γ -кванты вызывают еще несколько

реакций, не играющих заметной роли в ослаблении излучения, но интересных с точки зрения вызываемых ими вторичных излучений. Наиболее интересной из этих реакций является ядерный фотоэффект.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ -кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона (см. рис. 12.5, г). Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия у-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ -квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ -кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ -квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера, как это показано на рис. 12.6.

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ - γ -каротаж.