Взаимодействие излучений с веществом

Под взаимодействием излучений с веществом здесь понимаются лишь первичные элементарные акты взаимодействия частиц ионизирующего излучения с веществом, которые происходят под действием кулоновских, электромагнитных и ядерных сил. В данном разделе мы ограничимся рассмотрением взаимодействия с веществом заряженных частиц (в основном, электронов), фотонов и нейтронов.

Сечения взаимодействия

В силу статистической природы взаимодействия излучения с веществом для количественного описания этого процесса удобно пользоваться понятиями, имеющими вероятностный характер. Основополагающим здесь является понятие сечение взаимодействия (или поперечного сечения взаимодействия). Введем это понятие на примере взаимодействия у-излучения.

Пусть в малой окрестности определенной точки пространства, где каким-либо источником фотонов создается поле у-излучения с плотностью потока ф, помещается мишень, содержащая Ап_а атомов какогонибудь элемента (рис. 1.9, а). Предположим, что v падающих на мишень частиц испытывает в единицу времени взаимодействие с атомами мишени. Тогда сечением взаимодействия, а называется отношение.

имеющее размерность квадрата длины. Единицей измерения сечения в СИ является квадратный метр (допускается см²). В практике расчетов широкое распространение получила внесистемная единица барн (б) (1 6 = 10²⁸ м²). Так как сечение взаимодействия имеет размерность квадрата длины, т. е. площади, то его можно трактовать как площадь, которую занимает мишень (атом, или ядро, или электрон), при прохождении через которую фотон испытывает взаимодействие.

Рис. 1.9. К определению понятия сечения взаимодействия (а) и его вероятностной интерпретации (б).

Для большей наглядности полезно также выразить смысл сечения взаимодействия через понятие вероятности. Поместим на пути мононаправленного пучка фотонов с плотностью потока ф образец вещества в виде тонкого цилиндра высотой dl и площадью основания S так, чтобы фотоны падали нормально к основанию (рис. 1.9, б). Если в единице объема данного вещества находится п_а атомов, то, исходя из формулы, полное число взаимодействий, которое будет иметь место в этом образце объемом dV = S • dl в единицу времени, равно.

Тогда вероятность для одного фотона испытать взаимодействие на пути в данном образце равна отношению числа фотонов, испытавших взаимодействие, к числу упавших на образец.

Теперь, если в формуле (1.39) положить п_а и dl равными единице, то вероятность Р окажется численно равной сечению а. Таким образом, сечение численно равно вероятности взаимодействия фотона (или другой элементарной частицы) на единичном пути в веществе, в единичном объеме которого находится один атом (или электрон, или ядро, если сечение процесса определяется по отношению к взаимодействия с этими мишенями).

Сечения подразделяются на полные и парциальные. Полное сечение равняется сумме парциальных сечений, соответствующих различным видам взаимодействия (упругое и неупругое рассеяние, поглощение, зз различные ядерные реакции и т. д.). Эти виды для неделящихся ядер часто объединяют в две группы: сечение рассеяния и сечение поглощения. В соответствии с такой группировкой.

где a_s — сечение рассеяния; а_а — сечение поглощения.

Все введенные выше сечения относились к процессам взаимодействия излучения с микрочастицами вещества (электроном, атомом, ядром), поэтому их часто называют микроскопическими интегральными сечениями. Их величина зависит от энергии налетающих частиц и от атомного номера атомов среды распространения (а для нейтронов и от массового номера атома).

Помимо интегральных сечений для описания вероятности изменения направления движения частицы с Q на Q' вводится понятие дифференциального сечения рассеяния a₅(E, Q—"Q').

Микроскопическое дифференциальное сечение рассеяния численно равняется вероятности частицы ионизирующего излучения с энергией Е при движении в гипотетическом веществе, имеющем в единице объема один атом, испытать на единице пути рассеяния, в результате которого она изменит направление своего движения с Q на Q' в единице телесного угла вокруг Q' (рис. 1.10). Размерность микроскопического дифференциального сечения рассеяния квадрат длины/стерадиан, обычно используется см²/стерад.

Рис. 1.10. К определению микроскопического дифференциального.

сечения рассеяния Как правило, дифференциальное сечение зависит не отдельно от направлений Q и Q', а от косинуса полярного угла между этими векторами и не зависит от азимутального угла, т. е.

При прохождении излучения через конкретное вещество вероятность взаимодействия падающей частицы на единице пути в данном веществе в силу аддитивности процесса взаимодействия на отдельных атомах будет равна.

Эту величину называют макроскопическим сечением взаимодействия и обозначают X. В случае у-излучения макроскопическое сечение принято называть линейным коэффициентом ослабления фотонов и обозначать ц. Единицей измерения X и р в СИ является м-¹, но на практике допускается и чаще используется см-¹.

Наряду с линейным коэффициентом ослабления широко используется также массовый коэффициент ослабления ц_{т =} ц/р, где р — плотность среды. Поэтому размерность р_т [см²/г].