Авария на ЧАЭС Физика ядерного реактора Поглощение электромагнитного излучения в веществе Ядерное взаимодействие Эквивалентная доза. Радионуклиды в организме человека. Физика атомного ядра и элементарных частиц Цепная ядерная реакция

Атомная энергетика и ядерная физика

Рождение электронно-позитронных пар.

При достаточно большой энергии γ-кванта становится возможным процесс, когда в одном акте взаимодействия возникают в поле какой-нибудь частицы (чаще всего ядра атома) электрон и позитрон, а квант при этом поглощается. Этот процесс около ядра происходит в области размером ~ комптоновской длины волны электрона.

Законы сохранения энергии и импульса для процесса в поле атомного ядра:

;

;

где Те-, Те+ и Тя – это кинетические энергии электрона, позитрона и ядра соответственно;   и  -- импульсы падающего -кванта и ядра отдачи. Расчет токов короткого замыкания необходим для выбора аппаратов и проводников и решения вопросов об ограничении токов при выборе схем электрических соединений.

Из этих уравнений следует, что -квант не может образовать пару в вакууме (т.е. при Тя и , равных нулю), т.к. при Те- и Те+ = 0 из закона сохранения энергии следует , а из закона сохранения импульса .

Итак, образование пары электрон-позитрон происходит только в поле третьей частицы. Если ею является ядро, то благодаря большой массе оно уносит малую энергию и -квант с энергией  может создать электрон-позитронную пару. Если это электрон, то он должен получить энергию того же порядка, что и частицы пары, тогда процесс образования пары произойдет при значительно большей энергии -кванта.

Расчеты зависимости эффективного сечения процесса рождения пар (при 5) от энергии -кванта и заряда вещества Z приводят к соотношению

~

5. Зависимость полного коэффициента поглощения от энергии -кванта и свойств вещества.

Общая картина поглощения -квантов в веществе и примерное расположение по шкале энергий областей, где существенен каждый из трех основных процессов, представлена на рис.13.

Рис.13. Зависимость коэффициента поглощения  -квантов в веществе (для элементов со средними значениями Z) от энергии () падающих квантов.

Эффективность фотоэффекта быстро уменьшается с увеличением энергии -квантов, особенно после того как энергия стала больше энергии связи наиболее сильно связанных электронов (для самых тяжелых элементов несколько более 100 КэВ).

Эффект Комптона вообще мало проявляется по сравнению с фотоэффектом, однако с увеличением энергии -квантов он убывает медленнее и поэтому становится заметнее, когда энергия -квантов превышает энергию связи наиболее сильно связанных электронов и фотоэффект исчезает. При энергиях более 10 МэВ он практически исчезает.

Рождение пары электрон-позитрон возможно лишь при энергии -квантов свыше 1,02МэВ и вблизи ядра атома (реже электрона). Вероятность этого процесса растет с увеличением энергии -квантов, приближаясь при очень больших энергиях к постоянной величине.

Зависимость полного коэффициента поглощения от энергии -квантов для Al, Cu и Рв (часто использующихся как поглотители -лучей) показана на рис.14.

Рис.14. Зависимость линейного коэффициента поглощения от энергии -квантов.

Для свинца представлены также компоненты коэффициента поглощения, соответствующие каждому из трех процессов: фотоэффекту, комптоновскому рассеянию и рождению пар. Обращает на себя внимание характерный минимум в области 5-10МэВ, где фотоэффект и эффект Комптона уже слабо себя проявляют, а рождение пар еще не сильно. Видно также, что вещества с большим порядковым номером поглощают сильно, чем с малым, особенно в области малых энергий, где преобладает фотоэффект.

Отметим еще одну особенность, общую для всех процессов. С одной стороны, часть энергии -кванта передается заряженным частицам, которые теряют ее (за исключением пар при очень высоких энергиях) на ионизацию атомов вещества. С другой стороны, во всех процессах появляются -кванты с меньшей энергией и другими направлениями распространения. Это рентгеновские кванты, испущенные при переходе внешних электронов на освободившиеся в результате фотоэффекта места во внутренних оболочках. В случае эффекта Комптона – это рассеяние фотона. Частицы пары (электроны и позитроны), проходя через вещество испускают -кванты. Таким образом, хотя число -квантов в первоначальном пучке при прохождении через вещество убывает, при этом возникает новые кванты, имеющие всевозможные направления. С наличием такого рассеянного излучения практически всегда следует считаться.

В реальных ситуациях, применительно и которым и разрабатывался “Радиационная безопасность”, взаимодействие с веществом -квантов высоких энергий (десятки, сотни и тысячи МэВ) большой роли не играет. Поэтому коснемся лишь вскользь некоторых из них:

а) ядерный фотоэффект. Это реакции типа (), когда -кванты энергии 6-10МэВ (энергии связи нуклонов в ядре) выбирают из ядер нуклоны. Сечение таких реакций пропорционально Z вещества.

б) фоторасщепление ядер. Эти реакции протекают, когда энергии -квантов много больше энергии связи нуклонов в ядре: (); (; (). Сечение таких реакций ~.

в) образование пары -мезонов (-++). Такие реакции требуют энергии падающих -квантов .

г) фотогенерация -мезонов, которая происходит при ; ()~10-4.


Атомная физика