У-излучение и его свойства

Как отмечалось выше, возбужденное дочернее ядро может перейти в основное состояние с испусканием у-излучения дискретного спектра. При этом часто предпочтительным оказывается не прямой переход в основное состояние, а переход через ряд промежуточных состояний с испусканием нескольких у-квантов разной энергии. Обычно у-кванты имеют энергию от 10 кэВ до 5 МэВ. При таких высоких энергиях длина волны оказывается маленькой, и у-излучение обычно удобней рассматривать как поток частиц, пренебрегая волновыми свойствами.

Конкурирующим с испусканием у-излучения процессом является внутренняя конверсия — передача энергии возбуждения ядра одному из электронов этого же атома. При этом испускается электрон конверсии. Электроны конверсии обладают дискретным спектром энергии, причем каждое значение энергии электрона Т определяется разностью энергии возбуждения ядра Е_воз6 и работы выхода электрона Л_пых с данной оболочки атома:

Далее образовавшаяся вакансия заполняется электронами с вышележащих оболочек, что сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

При прохождении пучка у-квантов сквозь вещество происходит их поглощение, причем интенсивность у-излучения ослабляется по закону Бугера — Ламберта:

где /₀ и I — интенсивности у-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х; р — коэффициент поглощения, зависящий от свойств вещества и от энергии у-квантов. Вследствие высокой проникающей способности у-излучения коэффициент поглощения обычно невелик. Если на процесс поглощения накладывается рассеяние (столкновения, приводящие к изменению направления движения частицы), то траектория у-квантов перестает быть прямолинейной, что приводит к уменьшению толщины слоя поглощающего вещества.

Рассмотрим основные процессы взаимодействия у-излучения с веществом, которые, как и процессы с участием других частиц высокой энергии, часто имеют деградационный и каскадный характер. Деградационный процесс — процесс потери энергии быстрой частицей, например за счет каскадных процессов или столкновений. Каскадный процесс — процесс потери энергии быстрой частицей за счет передачи энергии образующимся в каскаде вторичным частицам.

Фотоэффект для у-излучения — это процесс, при котором атом поглощает у-квант и испускает с одной из внутренних оболочек электрон. Поскольку освободившаяся вакансия заполняется электроном вышележащей оболочки, то фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект доминирует при небольших энергиях у-квантов (Е < 100 кэВ).

С ростом энергии у-квантов вероятность фотоэффекта падает, и при Е_у ~ 0,5МэВ основным процессом взаимодействия у-квантов с веществом становится комптоновское рассеяние (эффект Комптона). Комптоновское рассеяние является не просто рассеянием в буквальном смысле этого слова — т. е. столкновением, приводящим к изменению направления движения кванта. Такое столкновение сопровождается и уменьшением энергии у-кванта, а значит, комптоновское рассеяние является деградационным процессом.

Если энергия у-кванта превышает удвоенную энергию покоя электрона 2т₍с² = 1,02 МэВ, то возможно образование электронно-позитронных пар. Вероятность этого процесса пропорциональна Z² и растет с увеличением энергии у-кванта. Поэтому при Е_у~ 10 МэВ образование электронно-позитронных пар начинает доминировать.

Если энергия у-кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре, то под действием у-излучения может иметь место ядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

Проникающая способность у-излучения высока, поскольку у-кванты нс имеют заряда и относительно слабо взаимодействуют с веществом. В воздухе оно может распространяться на сотни метров и километры. А для ослабления его в два раза может быть необходим слой воды 20 см или бетона — 10 см.