ионизацию, а остальная часть передается электрону в виде кинетической энергии.

(34)

бк- кинетическая энергия фотоэлектрона (электрона,

вырванного в результате фотоионизации); Pi-работа ионизации.

Очевидно, что для возникновения фотоионизации энергия фотона должна быть больше, чем работа ионизации. Однако если энергия фотона достаточна для возбуждения ионизации с какого-либо электронного уровня в атоме, то вероятность этого процесса уменьшается с дальнейшим увеличением энергии фотона. Поскольку у атомов с большим количеством электронов ионизация может происходить с разных электронных уровней с различными значениями Р,- , вероятность фотоионизации как функция энергии фотонов обладает рядом максимумов, характерных для каждого химического элемента. В промежутках между максимумами вероятность уменьшается с увеличением энергии квантов и скачкообразно возрастает у следующего максимума. Каждый из этих максимумов соответствует энергии вырывания электронов с нового более глубокого уровня в атоме. Для атомов среднего атомного веса энергия, требуемая для срывания электрона с самого глубокого уровня - /(-уровня, это величина порядка 25000 эв (Ag, порядковый номер 47) и лишь у самых тяжелых достигает величины 116000 эв (U, порядковый номер 92). У свинца, например, который часто применяется для защиты от излучения, энергия ионизации с К-уровня равна 88000 эв. Поэтому, как правило, для у-лучей энергия квантов превышает энергию, необходимую для вырывания электрона с самого глубокого уровня, т. е. превышает энергию, соответствующую самому крайнему максимуму. Следовательно, с дальнейшим увеличением энергии фотонов вероятность фотоионизацнн уменьшается монотонно. Как показывает опыт, в этой области энергий вероятность фотоионизации приблизительно обратно пропорциональна кубу энергии. Очевидно, что вероятность ионизации будет большей у элемента с большим порядковым номером (при заданной энергии фотона ближе максимум вероятности фотоионизацин). В действительности при одинаковой атомарной концентрации вероятность фотоионизации приблизительно пропорциональна степени 4,6 порядкового номера.

Если мы обозначим долю фотонов, поглощаемых на единице длины в результате фотоионизации, через г, то можно написать

., р

74,6

Тогда ДЛЯ двух веществ

2 =

74,6.

£-2 >

Т., = Т, -

?2 Pi

74,6 7-4,6

(35)

(36)

В качестве вещества, с которым можно сравнивать все остальные вещества, удобно выбрать свинец Заменив индекс 1 на РЬ и опустив индекс 2, вместо уравнения (36) получим

.4,6

А И,Зб-82-

-2,9-10 -pb.

(36а)

Для большинства элементов г не играет заметной роли в гспаблении у-лучей. но для тяжелых атомов при не очень боль щих энергия! фотонов т становится заметной величиной (рис. 13).

Риг. 13. Коэффициент ослабления у-лучей в свинце

Ядерный фотоэффект. Если энергия фотона превышает энергию связи нуклона в атомном ядре, то при взаимодействии фотона с ядром может произойти вырывание куклона. Это явление по аналогии с фотоионизацией атома называется ядерным фотоэффектом. Для подавляющего большинства ядер энергия связи одного нуклона колеблется в пределах 5-8 Мэв, в то время как энергия у-квантов природных радиоактивных веществ не превышает 2,62 Мэв (The ). По этой причине ядерный фотоэффект под действием у-лучей из природных радиоактивных ис-

3 ;-(ащ11та 01 )ал11аа<тиниы\ И).1учеиий

Краткие сведения по ядерной физике

точников возможен лишь в двух случаях: 1) расщепление дейтрона на протон и нейтрон, необходимая при этом минимальная энергия у-кванта 2,23 Мэв и 2) вырывание нейтрона из ядра бериллия, минимальная энергия фотона 1,67 Мэв.

С точки зрения ослабления потока Y-лучей ядерный фотоэффект практически никакой роли не играет. Это явление используется для получения монохроматических нейтронов.

Эффект Комптона. Явление Комптона заключается в рассеянии фотонов свободными электронами, при этом часть энергии и количества движения передается рассеивающему электрону и фотон с меньшей энергией рассеивается под некоторым углом к первоначальному направлению (рис. 14),

Рис. 14. Рассеяние фотона свободным электроном

Связь между энергиями фотонов первичного и рассеянного излучения и углом рассеяния определяется при помощи двух уравнений:

COSi= о

(37)

(38)

V и v-~ соответственно частоты первичного и рассеянного фотонов; /По -масса покоя электрона; v -скорость движения, приобретенная электроном после соударения;

lit hv ,

- и--соответственно количества движения фотонов

с с

первичного и рассеянного излучения,

Энергия £ любого тела равна тс2 =

-Кинетическая энергия

равна разности энергий движения Е и покоя £ , т. е. £,<и = тс - шос

Первое уравнение выражает закон сохранения энергии; разность энергий первичного и рассеянного фотонов равна кинетической энергии, приобретенной электроном. Второе уравнение выражает собой закон сохранения количества движения; импульс электрона mv равен геометрической разности импульсов фотонов первичного и рассеянного.

Решая эти два уравнения, можно найти зависимость между изменением длины волны и углом рассеяния фотона:

ГПцС

sin-l- = 2.2,427Л0-l cлl sin2 -

(39)

Как видно из этой формулы, изменение длины волны зависит лишь от угла рассеяния и не зависит от длины волны, соответствующей первоначальному фотону, При углах рассеяния, близ-

ких к 180°, sin - близок к единице и изменение длины волны

оказывается наибольшим, а при углах рассеяния, близких к нулю, изменение длины волны нез1начительно. То, что изменение

Последнее выражение переходит в-- лишь

для малых скоростей (- С при разложении

ряд 1 +

+-

3 и*

+... .

в степенной

2 с2 8 с*

Количество движения или импульс Р любого тела равны /по.

р = ту =

/По

/ 1

= mi с

2 л.

2 2

т% с

Для тел с большими скоростями (£> Еа) и для тел с массой покоя, рав-Е кч

вой нулю, Р=-. Таким образом, импульс фотона равен-.

длины волны ,не зависит от длины первичной волны, означает, что относительное изменение длины волны велико для малых длин волн и мало для больших длин волн.

Изменению длины волны соответствует изменение анергии фотона. Относительное изменение энергии фотона равно

/г V - л / . , . X 1

1 4-2

Х/ПпС

-sin2 -

= 1 -

ГПпС

(40)

Если энергия фотона значительно меньше, чем ШоС (0,511 Мэе)-энергия покоя электрона, последнее выражение равно

Д углов рассеяния, близких к 90°, просто- .

Ьсли энергия фотона значительно больше, чем гпос, относитель ное изменение анергии приближается к единице.

Как видно из сказанного, энергия потока у-лучей частично передается электронам, т. е. поглощается, частично рассеивается в виде фотонов меньшей энергии. Обозначим через аог Долю потока энергии, поглощаемой на пути в 1 см, через о -долю потока энергии у-лучей, рассеиваемой на пути в 1 см. Тогда их сумма

=W + <nor (41)

будет представлять собой долю фотонов, рассеянных на пути в 1 см. Из формул (40) и (41) видно, что для данного угла рассеяния

+ 2 .sin

1 +2

-sin

(42) (43)

Зависимость а от энергии фотонов довольно сложная и дается формулой Тамма-Клейна -Нишины. Мы здесь ограничиваемся графическим изображением этой зависимости (см. рис. 13). Комптоновское рассеяние происходит на свободных электронах, однако под свободными здесь нужно понимать электроны, энергия связи которых в атоме во много раз меньше, чем энергия фотонов. В этом смысле по отношению к у-лучам почти все электроны в атомах можно считать свободными, ибо у легких

атомов работа ионизации для всех уровней электронов сравнительно мала, а в тяжелых, т. е. многоэлектронных атомах, число электронов, расположенных на ближайших к ядру орбитах, мало по сравнению с общим числом электронов. Поэтому можно считать, что сг - коэффициент комптоновского ослабления у-лу-чей - пропорционален общему числу электронов в единице объема или числу грамм-атомов в единице объема, помноженному на число электронов в атоме Z.

Повторяя рассуждения, приведенные (35), (36) и (36а), получаем

при выводе формул

(44)

С2= CTi

Pi Аг

А 4,36-82 207

= 0,22

Z 11,36 82

рь; (45)

(45а)

Последнее равенство означает, что отношение комптоновского коэффициента ослабления к плотности вещества, помноженное на отношение атомиого веса к порядковому номеру, для всех веществ величина постоянная. Поскольку отношение атомного веса к порядковому номеру для различных элементов (исключая водород) колеблется в пределах от 2 до 2,6, можно считать, что отношение коэффициента комптоновского ослабления к плотности для любых веществ величина приблизительно одинаковая.

Явление образования пар электронов и позитронов. Различные процессы, происходящие в природе, связаны с изменением форм движения материи. Изменение форм движения материи проявляется в превращении одних видов энергии в другие. Электрическая энергия превращается в электромоторе в энергию механического движения и частично в тепло. Энергия механического движения превращается в электрическую в ди-намомашинах. Энергия теплового движения превращается в раскаленных телах в лучистую. Лучистая энергия может превращаться в фотоэлементах в электрическую и т. д. Наряду с другими формами движения существует форма движения, проявляющаяся в виде энергии покоящейся массы. Так, например, при а-распаде или при делении тяжелых ядер масса покоя распадающегося ядра равна сумме масс движущихся с большими скоростями продуктов распада и больше суммы масс покоя продуктов распада. Следовательно, масса покоя превратилась в