Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
60
Гл. II. Поглощение энергии ионизирующих излучений
а
фотоэлектрон
б
рассеянный фотон первичный\ I
КОМПТ0НОВСКИЙ
электрон
Рис. II.3. Схема основных процессов поглощения энергии фотонов рентгеновского и 7-излучения: а) фотоэффект; б) эффект Комптона; в) эффект образования электрон-позитронных пар
рентгеновского и 7-излучения поглощается веществом в результате одного из следующих процессов (рис. П.З).
Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) состоит в том, что квант излучения полностью передает энергию атому; этой энергии достаточно для того, чтобы атом испустил электрон (рис. П.3, а). Электрон, высвобожденный из атома в результате фотоэффекта, обладает запасом кинетической энергии, равным энергии падающего кванта Ни за вычетом энергии связи электрона с соответствующим атомом или молекулой:
^Осин. электрона ” ^ “ ^связи- (П.3)
Вероятность фотоэффекта зависит от энергии падающего кванта и атомного номера поглощающей среды. Сечение процесса существенно зависит от Z заряда ядра атомов среды Z, и при одной и той же энергии фотонов возрастает как Zn, где п « 4-5. С ростом энергии
________4. Механизмы процессов поглощения энергии излучений_________61
сечение уменьшается как Ет, где значение m понижается по мере возрастания энергии от трех (малые энергии) до единицы (высокие значения энергии). При зтом сечение испытывает большие скачки при величине энергии фотона, равной энергии связи электрона в атоме.
Эффект Комптона можно рассматривать как результат упругого соударения кванта излучения с электроном (рис. II.3, б). При этом квант отдает электрону не всю энергию, а лишь некоторую ее часть, причем сам он продолжает деижение в качестве рассеянного кванта в новом направлении и с меньшей энергией. В отличне от фотоэлектрона, комптон-электрон (его еще называют электроном отдачи) приобретает не всю энергию первичного кванта.
Коэффициентом комптоновского поглощения называется доля энергии, приобретенная электроном отдачи. Он определяется по формуле Клейна-Нишины:
„ 2 f 2(1 + а)2 1 + За (1 +а)(1 +2а — 2а2)
°с- \а2(1 + 2а) (1+2а)г+ а2(1 + 2а)2
+ + (п'4)
где re = е2/тс2 = 2,818 - 10~15 м — постоянная, так называемый «классический радиус электрона»; е — заряд электрона; т — масса электрона; с — скорость света; в = hv/m<?\ h = 6,626 • 10“34 Дж - с = 6,626 • 10-27 эрг • с — постоянная Планка; v — частота падающего кванта.
Определив величину ос для кванта определенной энергии и умножив этот коэффициент на число электронов, находящихся в 1 г ткани, получим величину комптоновского «поглощения» на 1 г ткани (так называемый «массовый коэффициент комптоновского поглощения»). Следует, однако, уточнить, что 7-квант не поглощается, а меняет направление и энергию (в отличие от фотоэффекта) и может далее участвовать в процессе ионизации.
Как видно из табл. II. 1, электронный коэффициент комптоновского поглощения в ткани возрастает с увеличением энергии кванта излучения. Следовательно, с увеличением энергии падающих квантов увеличивается число комптоновских электронов и уменьшается число фотоэлектронов.
Таблица ПЛ. Электронные коэффициенты комптоновского поглощения
Энергия а --- hi//тс7 ас-1025 Энергия а --- hi//тс7 Ос ¦ Ю25
квантов квантов
hi/, кэВ hi/, кэВ
5,108 0,01 0,0638 137,9 0,27 0,7812
25,54 0,05 0,2731 199,2 0,39 0,8793
45,98 0,09 0,4276 306,5 0,6 0,9562
76,62 0,15 0,5914 715,2 1,4 0,9711
62
Гл. II. Поглощение энергии ионизирующих излучений
Таб ли иа 11.2. Комптоновсхие и фотоэлектроны, возникающие в воде при воздействии рентгеновского и 7-излучений
Длина Энергия Вклад в полное число
волны квантов элект ронов для
А, А Е, кэВ фотоэффекта комптон-эффекта
2,4265 5,108 0,994 0,006
0,4853 25,542 0,676 0,424
0,2696 45,975 0,195 0,805
0,1618 76,625 0,052 0,948
0,0899 137,92 0,010 0,990
0,0622 199,22 0,004 0,996
0,0404 306,50 0,001 0,999
В табл. П. 2 представлены данные об относительном числе фото-и комптоновских электронов, образующихся в воде при воздействии рентгеновского и 7-излучений.
В воде и биологических тканях поглощение излучения с энергией квантов более 300 кэВ в основном происходит за счет эффекта Комптона В результате нескольких последовательных комптоновских взаимодействий энергия кванта снижается настолько, что он уже может полностью поглотиться в результате фотоэффекта.
Образование электрон-позитронных пар. Если энергия падающего кванта превышает 1,022 МэВ, становится возможным еще один тип взаимодействия — эффект образования пар. Электрон-позитрон-ные пары возникают в результате взаимодействия кванта излучения с кулоновским полем ядра. Квант высокой энергии, приближаясь к полю ядра атома, исчезает, и одновременно возникает пара элементарных частиц позитрон-электрон (рис. II.3, в): hu -У е+ + е~.
