Hiệu ứng tạo cặp là quá trình tương tác của bức xạ gamma với toàn bộ nguyên tử, xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc của electron. Trong hiệu ứng tạo cặp, một photon gamma sẽ biến mất và tạo ra một cặp electron - pozitron trong vật chất bia, đồng thời hạt nhân nguyên tử vật chất cũng bị giật lùi.
Hình 1.3. Mô hình hiệu ứng tạo cặp [37]
Electron Gamma tới
Hiệu ứng tạo cặp chiếm ưu thế trong vùng gamma có năng lượng cao (>10 MeV) [4]. Điều kiện xảy ra là năng lượng của photon tới tối thiểu phải bằng 2 lần năng lượng nghỉ của electron (Eγ ≥ 1022 keV).
Tiết diện của hiệu ứng tạo cặp tăng theo số nguyên tử Z của vật liệu bia và năng lượng của photon tới [7]:
σtc≈ Z2lnE (1.6)
Theo công thức (1.6), xác suất xảy ra hiệu ứng tạo cặp lớn đối với các nguyên tố nặng như chì, uranium…
Ngoài 3 loại tương tác cơ bản trên, khi chùm photon tới có năng lượng đủ lớn (>4mec2) [4] thì có thể xuất hiện thêm hiện tượng tạo ba trong trường electron. Khi đó, toàn bộ năng lượng của photon tới sẽ bị hủy và sinh ra cặp electron-pozitron cùng với electron của lớp vỏ nguyên tử bị photon tương tác. Tuy nhiên, xác suất tạo ba thường rất nhỏ so với xác suất tạo cặp nên đóng góp của loại tương tác này là không đáng kể.
Như vậy, xác suất xảy ra từng loại tương tác khi tia gamma xuyên qua vật chất sẽ thay đổi theo năng lượng của bức xạ gamma và đều tăng theo mật độ vật chất. Tùy theo năng lượng của photon tới mà sự đóng góp của mỗi loại tương tác sẽ đóng vai trò chủ đạo, góp phần làm suy giảm cường độ chùm photon khi xuyên qua vật chất.