§ 26. ПРОХОЖДЕНИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО

При прохождении через вещество электромагнитное излучение испытывает характерное экспоненциальное поглощение в противоположность картине, наблюдаемой при поглощении заряженных частиц, когда существует определенная связь между энергией и пробегом. Это происходит потому, что при поглощении или рассеянии выбывают из падающего пучка в результате единичного акта взаимодействия. Поскольку число выбывших при прохождении поглотителя толщиной пропорционально и числу падающих число квантов, двигающихся в первоначальном направлении и находящихся на расстоянии х от исходной точки, описывается экспоненциальной функцией.

Допустим, что моноэнергетический пучок падает нормально на пластинку толщиной х. Будем считать, что толщина пластинки настолько мала, что рассеяние происходит однократно. Обозначим через интенсивность -пучка до его попадания на пластинку, а через интенсивность его после прохождения пластинки. Обозначим через а полное эффективное сечение рассеяния и поглощения на 1 атоме. Тогда закон изменения интенсивности пучка будет характеризоваться выражением

где число атомов поглотителя в или

так называемый линейный коэффициент поглощения

Для различных процессов поглощения главной задачей является установление зависимости эффективного сечения процесса от энергии кванта и от свойств вещестза.

Фотоэффект. Фотоэффектом называется процесс, при котором вся энергия падающего передается связанному электрону. При этом электрон вылетает из атома, имея кинетическую энергию

где энергия ионизации той оболочки, на которой находился электрон (энергию отдачи, которую получает ядро после вылета электрона, мы не учитываем, поскольку она пренебрежимо мала по сравнению с энергией падающего или с энергией Те фотоэлектрона).

Фотоэффект всегда сопровождается либо характеристическим рентгеновским излучением, либо так называемым эффектом заключающимся в передаче энергии возбуждения атома одному из его электронов, который в результате этого покидает атом.

Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может протекать на свободном электроне, не связанном с атомом (свободный электрон принципиально не может поглощать свет). Это следует из законов - сохранения энергии и импульса. В рассматриваемом случае

Если бы фотоэффект на свободном электроне был возможен, то при в нерелятивистском случае

и из равенства т. е. чего (не может быть.

Аналогичный вывод можно получить и для релятивистского случая. Таким образом фотоэффект, при котором квант поглощается целиком, возможен лишь в системе, где электрон связан с

атомом, которому и передается часть импульса кванта. Соответственно этому вероятность фотоэффекта увеличивается по мере приближения энергии фотона к энергии связи электрона с атомом. Иначе говоря, для возникновения фотоэффекта важна относительная связанность, определяемая соотношением

Из рис. 58 видно, что эффективное сечение процесса при больших энергиях мало. При уменьшении энергии оно начинает расти до тех пор, пока не станет равной

Рис. 58. Зависимость эффективного сечения фотоэффекта от энергии -квантов

Рис. 59. Зависимость эффективных сечений фотоэффекта в углероде и алюминии от энергии -квантов

При дальнейшем уменьшении энергии эффективное сечение сначала резко падает, поскольку эффект на -оболочке уже не может идти, а для -оболочки относительная связанность мала. Далее сечение опять начинает расти, так как растет Рост прекращается при д. Изменение эффективного сечения для каждой из электронных оболочек приблизительно передается законом

Зависимость суммарного эффективного сечения фотоэффекта от энергии фотонов (для электронов всех оболочек) при малых энергиях можно считать следующей закону

При больших энергиях при когда относительная связанность электронов с дальнейшим ростом энергии меняется мало, падает с энергией не так сильно: обратно пропорционально только первой степени энергии кванта .

Вероятность фотоэффекта сильно зависит также от заряда атома на котором происходит фотоэффект, Такая сильная зависимость опять-таки объясняется тем, что в легких

элементах электроны в атоме связаны слабее, чем в тяжелых. Поэтому фотоэффект очень существен в тяжелых веществах, где он идет с заметной вероятностью и при больших энергиях На рис. 59 показана зависимость эффективного сечения фотоэффекта от для углерода и алюминия.

Угловое распределение вылетающих фотоэлектронов, так же как — и эффективное сечение, зависит от энергии падающих фотонов. Теоретически оно рассчитывается методами квантовой электродинамики.

Рис. 60. Угловое распределение фотоэлектронов: а — при б - при

Полученные соотношения в общем случае весьма сложны и поэтому приведем результаты расчетов только для двух крайних случаев: малой и большой энергии.

1. . В этом случае фотоэлектроны вылетают с наибольшей вероятностью перпендикулярно к падающему пучку и распределены по закону относительно электрического вектора падающей электромагнитной волны (рис. 60,а).

2. . В этом случае угловое распределение фотоэлектронов благодаря передаче электрону большего импульса вытянуто вперед (рис. 60, б).

В тяжелых веществах фотоэффект является главной причиной поглощения мягких