Передача энергии фотонов атомам и молекулам вещества

Ионизация и возбуждение электронов в атомах и молекулах связанна с взаимодействием электромагнитного волнового излучения с веществом. При этом процесс передачи энергии электромагнитного излучения (рентгеновских лучей и гамма излучения) осуществляется тремя механизмами, а именно фотоэлектрический эффект, Комптон-эффект, образование пары альфа частиц электрон-позитрон.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света, этот механизм состоит в том, что квант излучения полностью передает энергию атому, которой достаточно для того, чтобы атом испустил электрон. Электроны возникающие вследствие фотоэффекта называются фотоэлектронами, они могут изыматься не только с глубоких но и из внешних орбиталей атома. Свободные электроны не подвергаются фотоэффекту. По аналогии с механическим процессом упругого соизмерения тел, фотоэффект еще называют также упругим столкновением. Энергия фотона, как правило, передается электронам наиболее близким к ядру.

Эффект Комптона можно рассматривать как результат упругого столкновения - соударения кванта излучения с электроном. При этом квант отдает электрону не всю энергию, а лишь часть её, причем сам он продолжает движение уже в качестве рассеянного фотона. Происходит так же образование Комптон-электрона, который приобретает не всю энергию первичного кванта. Эффект Комптона еще называют эффект неупругого столкновения.

Образование пары античастиц электрон-позитрон Взаимодействие гамма-фотонов с электрическим (кулоновским) полем приводит к образованию пары частиц е⁺ и е^-, а квант приближаясь к полю ядра аннигилирует. Для образования пары частиц электрон-позитрон, необходимы излучения, энергия которых превышает 1,022 МэВ. С увеличением энергии гамма фотонов вероятность образования пары античастиц возрастает. Электрон может взаимодействовать с позитроном в результате чего образуется гамма фотон с энергией 1,022 МэВ. Это явление называется аннигиляцией частиц. Следует так же сказать, что свободные электрон и позитрон могут также образовывать связанную систему из электрона и позитрона, которая подобна атому водорода, но в ядре атома протон заменен на позитрон. Такую структуру называют позитронием е^-+е⁺=Ps. Вероятность передачи энергии данными механизмами представлена на рисунке.

Рис.1 Вероятностное распределение механизмов передачи энергии, где линия 1)фотоэффект; 2)Комптон-эффект; 3)рождение пары электрон -позитрон

Из приведенной зависимости следует, что при энергии фотона от 0,1 до 100 МэВ эффект Комптона является основным процессом поглощения γ-квантов в веществе. С ростом же энергии гамма квантов вероятность этого эффекта убывает. Рассмотрим взаимодействие частиц высокой энергии с веществом. Во время прохождения заряженных частиц через слой вещества их поток ослабляется и такая закономерность описывается следующим выражением:

I=I₀*e^-μх

I₀ – интенсивность падающего на вещество потока частиц.

I – интенсивность потока частиц после его прохождения через слой вещества толщиной Х

μ – коэффициент поглощения - вероятность столкновения частиц с атомами среды.

Эту вероятность столкновения частиц характеризуют полным микроскопическим эффективным поперечным сечением σ. Если обозначить через N число атомов в единице объема поглощающей среды, то коэффициент поглощеня будет равен μ_s=σ*N.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: