Понятие сечения взаимодействия. Взаимодействие гамма-квантов и нейтронов с горными породами

Понятие сечения взаимодействия

Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов горной породы, гамма-кванты — с ядрами, атомами и электронами. Взаимодействие носит статистический характер, т. е. на конкретном участке породы оно может произойти или не произойти, проявиться в том или ином качестве. Важно оценить степень возможности каждого вида взаимодействия, влияния на неё состава породы и свойств частиц.

Пусть на плоскую поверхность породы падает параллельный пучок частиц, поток которых обозначим N₀. Частицы, проходя через горную породу, могут с ней взаимодействовать: изменить свое направление движения (рассеяться) или поглотиться. Поток частиц, не взаимодействовавших с горной породой на расстоянии х от её поверхности, обозначим N, а число взаимодействующих частиц на следующем малом отрезке dx — dN.

Тогда очевидно соотношение

dN = -µ·N·dx

где µ, имеет смысл вероятности взаимодействия частицы с породой на единичном расстоянии. Поскольку в ходе взаимодействия теряется энергия частиц, т.е. происходит ослабление излучения, µ называют линейным коэффициентом ослабления.

Интегрирование этого выражения приводит к закону ослабления излучения в породе

N = N₀·e^-µ·^x

Коэффициент ослабления зависит от свойств (энергии) излучения, от свойств атомов в горной породе, а также от количества последних в единице объема породы. Удобно использовать в качестве параметра величину, зависящую от меньшего числа переменных. Таким параметром является сечение взаимодействия δ, связанное с µ простым соотношением:

δ = µ/n

где n — число атомов (ядер) в единице объема породы.

Сечение взаимодействия имеет смысл вероятности взаимодействия нейтрона (гамма-кванта) с атомом (ядром, электроном), находящимся в единичном объеме. Оно имеет размерность площади и может быть представлено как часть единичной поверхности, которая оказывается «непроходимой» для частицы. Порядок сечения взаимодействия составляют 10^{-28 м2} и называется барном.

Процессы взаимодействия гамма-квантов с горными породами

Существуют три вида взаимодействия: поглощение гамма-кванта атомом или ядром и рассеяние гамма-кванта электронами. Какой из видов взаимодействия будет наиболее вероятен, зависит от энергии гамма-квантов и от свойств породы.

Фотоэлектрическое поглощение энергии гамма-кванта происходит на атомах горной породы. Энергия гамма-кванта расходуется на преодоление энергии связи электрона на i-й оболочке и на сообщение электрону кинетической энергии.

Чтобы электрон не вылетал из атома со скоростью, близкой к предельной скорости света, энергия гамма-кванта должна быть соизмерима с энергией связи электрона в атоме. Поэтому процесс фотопоглощения характерен для гамма-квантов низкой энергии и для атомов с большим порядковым номером z, поскольку чем больше заряд ядра, тем больше энергия связи электронов. E_i больше на внутренних слоях, поэтому при фотопоглощении гамма-кванта электрон вырывается с внутренних К или L-слоях. Сечение фотоэлектрического взаимодействия зависит от z и hv.

Комптоновское рассеяние заключается во взаимодействии гамма-квантов с электронами горной породы. Этот вид взаимодействия возможен для гамма-квантов, энергия которых превышает энергию связи электрона в атоме, так что взаимодействие происходит со свободным электроном. Процесс более характерен для сред с низкими значениями z. Его можно рассматривать как столкновение двух шариков, исход которого зависит от их массы, с одной стороны, постоянной массы электрона, с другой,-зависящей от энергии массы гамма-кванта.

В результате взаимодействия гамма-квант рассеивается — теряет часть энергии и изменяет направление движения. Энергия рассеянного гамма-кванта зависит от энергии падающего и от угла рассеивания.

Наибольшие потери энергии происходят при рассеивании на больший угол; чем больше энергия гамма-кванта, тем большая её часть теряется при рассеянии.

Сечение комптоновского рассеяния сложным образом зависит от энергии гамма-излучения. Коэффициент ослабления гамма-излучения за счет комптоновского рассеяния зависит также от плотности породы и электронной плотности и практически не зависит от вещественного состава породы, определяемого z.

Ядерное поглощение характерно для гамма-квантов с высокой энергией и сред с высокими z. Процесс заключается в исчезновении гамма-кванта вблизи ядра и образовании за счет его энергии двух частиц — электрона и позитрона. Этот эффект имеет пороговое значение энергии, равное энергии покоя электрона и позитрона. Сечение ядерного поглощения пропорционально z² и сложным образом зависит от энергии гамма-кванта.

1 2 3 45

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: