Oddziaływanie promieniowania gamma z materią

Promieniowanie γ oraz promieniowanie rentgenowskie są, podobnie jak światło widzialne, rodzajem fal elektromagnetycznych. Gdy światło widzialne przenika przez ośrodek, część światła zostaje rozproszona na boki lub zaabsorbowana. Z tego wyprowadzamy prawo absorpcji, które przewiduje wykładniczy spadek intensywności promieniowania wzdłuż odcinka drogi. Prawo to odnosi się zarówno do promieniowania γ, które wpada w metal, ale także na przykład do światła, które prześwietla wodę morską, z innym współczynnikiem absorpcji µ.

Trzy sposoby pozbycia się energii

Energia promieniowania rentgenowskiego i γ jest przekazywana do ośrodka w wielu różnych procesach. Kwanty mogą wybić (także wewnętrzne) elektrony z atomu i wywołać zjawisko fotoelektryczne – rodzaj szczególnie silnej jonizacji. Fotony mogą także ulec rozproszeniu na elektronach lub atomach, ulegając przy tym zderzeniom niesprężystym. Jest to zjawisko Comptona. A poza tym od pewnej granicznej energii promieniowanie γ może produkować pary elektronowo-pozytonowe – to ostatnie zjawisko nazywamy „kreacją par ”.

Oddziaływanie promieniowania γ (i rentgenowskiego) z materią

Dla opisania absorpcji promieniowania można sformułować równanie różniczkowe, którego uproszczone rozwiązanie jest funkcją wykładniczą – wynika z tego tak zwane prawo absorpcji promieniowania Lamberta-Beera:

Jeśli jesteś już po lekturze →rozdziału o funkcji wykładniczej, wiesz na pewno, co oznacza ten wzór. Intensywność światła, które wpada w materię, dla dużych wartości parametru μ, spada praktycznie do zera na względnie krótkim odcinku drogi x.

Szybkość procesu pochłaniania promieniowania  γ reguluje parametr µ. Zależy on od liczby porządkowej Z atomów ośrodka, od gęstości materii, która jest naświetlana i od energii promieniowania. W nim kryją się w istocie trzy zjawiska, które występują, gdy wysokoenergetyczne fotony przenikają materię: zjawisko fotoelektryczne, zjawisko Comptona i kreacja par.

Zjawisko fotoelektryczne

Kwanty promieniowania rentgenowskiego lub γ mogą oddać swoją energię elektronom na jednej z powłok atomów naświetlanej materii. W wyniku absorpcji energii kwantu, elektrony mogą zostać przeniesione na wyższy poziom energetyczny w atomie – efekt fotoelektryczny wewnętrzny – lub zostać wybite z powierzchni materii – efekt fotoelektryczny zewnętrzny. Wystąpienie efektu fotoelektrycznego nie zależy od natężenia padającego promieniowania, ale od jego energii. Dla każdego materiału wybicie elektronu wymaga dostarczenia określonej energii i dlatego kwanty promieniowania mogą wywołać efekt fotoelektryczny wtedy, jeżeli ich energia jest odpowiednio wysoka.

Zjawisko Comptona

Padające fotony promieniowania rentgenowskiego lub γ mogą także zderzać się niesprężyście z elektronami w atomach ośrodka. Przez to zmieniają swój kierunek i oddają część swojej energii elektronom. Energia fotonu jednakże nie zostaje całkowicie pochłonięta, jak to się dzieje przy zjawisku fotoelektrycznym, czy przy kreacji par. Taki proces nazywamy zjawiskiem Comptona.

Elektron otrzymuje przez zderzenie wystarczająco dużo energii, aby „oddzielić się” od swojego atomu – staje się tak zwanym „elektronem Comptona”.

Kreacja par

Trzeci rodzaj oddziaływania promieniowania γ z atomami naświetlanego ośrodka polega na tworzeniu par elektron-pozyton. Jest to związane z całkowitym pochłonięciem kwantu γ w pobliżu jądra i jego przemianie w parę elektron i pozyton. Utworzenie pary elektron-pozyton możliwe jest tylko wtedy, jeżeli energia kwantu γ jest większa od energii odpowiadającej sumie mas elektronu i pozytonu, tzn. 1,022 MeV.