Рассеяние γ-квантов свободными электронами
Экзамен ТМГ
1. Взаимодействия гамма-квантов с веществом
Гамма-излучение – самопроизвольный процесс перехода ядра из возбуждённого состояния в основное (или менее возбуждённое), сопровождающееся испусканием кванта коротковолнового электромагнитного излучения. Энергетический спектр гамма-излучения для каждого изотопа строго индивидуален (характерен) и имеет строго определённые энергии. Для естественных р/а элементов после α-распада обычно испускаются γ-кванты с энергией не выше 0,5 МэВ, после β-распада энергия γ-кванта может быть больше и достигает 2 – 2,5 МэВ.
Кванты по энергии делятся на:
· оптические (до 1 эВ)
· ультрафиолет (до 1 КэВ)
· ренгтеновские (до 100 КэВ)
· гамма-кванты (свыше 100 КэВ)
Источником оптических квантов являются процессы, происходящее в валентных электронах атома, УФ излучения – процессы, происходящие на электронных уровнях, следующих за валентными. Происхождение рентгеновского излучения обусловлено процессами, происходящими на наиболее близко расположенных к ядру атома внутренних электронных оболочках. Энергия этих трёх излучений (оптич., УФ, рентген.) определяется энергией связи электронов с ядром атома, т.е. потенциалом ионизации данной электронной оболочки. Источником γ-квантов являются процессы, происходящие в самом ядре.
Энергетические уровни электронных оболочек и ядра строго определены для каждого атома (или кристаллической решётки вещества). Говорят, что они характерны для каждого вещества. Следовательно, изучая энергетические спектры вышеперечисленных излучений, можно точно определить тип вещества, а по интенсивности излучения можно перейти к количественным определениям этого вещества (определить его концентрацию). С этой целью в ядерной геофизике, помимо изучения гамма-излучения, очень широко применяется исследование рентгеновского (характеристического) излучения.
Имеется возможность осуществления более десятка элементарных процессов взаимодействия γ-излучения с веществом, завершающееся рассеянием или поглощением γ-квантов. Вероятность протекания каждого из этих процессов зависит от энергии γ-кванта, атомного номера Z вещества.
В ядерной геофизике используется γ-излучение с максимальной энергией до 3 МэВ. Для такого γ-излучения характерно взаимодействие с электронами атомов. Наиболее вероятные процессы:
· фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) на электронах внутренних оболочек атома
· образование пары электрон-позитрон
· эффект Комптона (неупругое рассеяние γ-квантов на электронах)
· эффект Томсона (упругое рассеяние)
Рассеяние γ-квантов свободными электронами
Считать электроны свободными, т.е. пренебречь связью электронов в атоме можно лишь для энергий фотонов, значительно превышающей энергию связи электрона εe.
При томсоновском рассеянии энергия гамма-кванта до взаимодействия равняется энергии после взаимодействия, т.е процесс идёт без потери энергии гамма-кванта (Eγ = Eγ’).
Томсоновское рассеяние преобладает при Eγ<<mec2 (=511 КэВ), когда энергия гамма-кванта сопоставима с энергией связи электрона εe. Дифференциальное сечение рассеяния характеризует вероятность рассеяния гамма-квантов под данным углом ϴ на одном электроне.
Дифференциальное, по телесному углу, сечение томсоновского рассеяния описывается:
Комптоновское рассеяние соответствует случаю неупругого рассеяния гамма-кванта на свободном электроне, когда рассеянный гамма-квант (после взаимодействия) имеет меньшую энергию, чем первичный (Eγ>Eγ’). Здесь энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию связи электрона в атоме (Eγ>εe). В области энергий 0,05<Eγ<10 МэВ комптон-эффект является преобладающим видом взаимодействия. Разность энергий Eγ-Eγ’ уносится электроном, который получает кинетическую энергию Ре.
Поглощение γ-квантов электронами атомов
Фотоэффект – такой процесс взаимодействия гамма-кванта с электроном, при котором электрону передаётся вся энергия гамма-кванта. При этом электрон выбрасывается за пределы атома с кинетической энергией Ee = Eγ-Ii, где Eγ – энергия гамма-кванта, Ii – потенциал ионизации i-оболочки атома. Освободившееся место на электронной оболочке заполняется электронами с вышерасположенных орбит. Этот процесс сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения, либо испусканием электронов Оже.
Полное сечение взаимодействия гамма-излучения с веществом
2. Типы взаимодействий нейтронов с веществом и их использование в радиометрии скважин
Не обладая электрическим зарядом, нейтроны не испытывают действия электронов и ядер, поэтому характеризуются большой проникающей способностью. Взаимодействуют, в основном, с ядрами атомов. В ядерной геофизике используются, в подавляющем большинстве, тепловые и надтепловые нейтроны с энергией до 100 эВ. Для таких нейтронов характерны реакции:
· поглощения (радиационный захват нейтронов)
· рассеяния (упругое и неупругое)
Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов, поэтому их делят на группы:
· тепловые Е<0,05 эВ (=580 К)
· медленные 0,05 эВ – 1 КэВ
· надтепловые 0,1 эВ – 0,5 КэВ
· быстрые >1 КэВ
Упругое рассеяние
Отсюда следует, что наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром-мишенью с М=1, т.е. с ядром водорода. При лобовом соударении с водородом возможна полная потеря энергии нейтрона. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии нейтрона, водород является аномальным замедлителем нейтронов.
