*Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua vật chất:
Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV. Khi đó bước sóng của bức xạ gamma: c = ℎ_/2 nhỏ
hơn nhiều so với kích thước nguyên tử, cỡ 10-10 m.
Cũng giống như các hạt tích điện, bức xạ gamma bị vật chất hấp thụ do tương tác
điện từ. Tuy nhiên cơ chế của quá trình hấp thụ bức xạ gamma khác với các hạt tích
điện do hai nguyên nhân:
+ Thứ nhất, lượng tử gamma không có điện tích nên không chịu ảnh hưởng của lực Coulomb tác dụng xa. Tương tác của lượng tử gamma với electron xảy ra trong miền với bán kính cỡ 10-13m, nhỏ hơn kích thước nguyên tử. Vì vậy khi đi qua vật chất lượng tử gamma ít va chạm với các electron và hạt nhân, do đó ít bị lệch khỏi phương bay ban đầu.
+ Thứ hai, đặc điểm của lượng tử gamma là khối lượng nghỉ bằng 0 nên không có vận tốc khác với vận tốc ánh sáng. Điều này có nghĩa là lượng tử gamma không bị
làm chậm trong môi trường. Nó hoặc bị hấp thụ, hoặc tán xạ và thay đổi phương bay.
Sự suy giảm tia gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các hạt tích điện. Các hạt tích điện có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong lúc đó tia gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn. Do đó đối với lượng tử gamma không có khái niệm quãng chạy. Cho một chùm tia gamma hẹp đi qua bản vật liệu và đo cường độ chùm tia sau bản vật liệu đã được chuẩn trực, vẽ sự phụ thuộc cường độ chùm tia đo được theo bề dày vật liệu trên đồ thị
bán logarithm, ta được đường thẳng giảm khi tăng bề dày. Trên hình 1.9, hai đường thẳng ứng với vật liệu nhôm, chì đều giảm tuyến tính khi tăng bề dày vật liệu, do đó
33
cường độ chùm tia giảm theo hàm số mũ: e = e1f6, µ: Hệ số suy giảm tuyến tính (phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi trường).
*Các cơ chế tương tác của tia gamma với vật chất:
Tương tác của bức xạ gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹđạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron – positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
+ Hiệu ứng quang điện: Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này nhận được động năng Ee, bằng hiệu số giữa năng lượng gamma vào E và năng lượng liên kết εlk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra: Ee = E - εlk.
Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và với tiết diện rất lớn
đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn
đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ
xuất hiện đáng kểở vùng năng lượng thấp.
Hình 1.9: Sự suy giảm chùm tia gamma theo bề dày vật liệu.
Đường liền: Chùm gamma đơn năng lượng 0,661 MeV; đường gạch nối: chùm gamma đa năng lượng [24]. 1 0,5 0,1 0,05 0,01 0 1 2 3 4 Độ dày hấp thụ (cm) P h ầ n c h ù m t ia đ ư ợ c tr u y ề n q u a Nhôm Chì
34
Khi electron bứt ra khỏi nguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì tại đó một lổ trống được sinh ra. Sau đó lổ trống này được một electron từ lớp vỏ ngoài chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ phát ra tia X đặc trưng hay các electron Auger.
+ Hiệu ứng Compton: Khi năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ này gọi là tán xạ
Compton, là tán xạ đàn hồi của gamma vào với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ, gamma đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng khỏi nguyên tử.
Hình 1.10: Quá trình tán xạđàn hồi của lượng tử gamma lên electron tự do
ϕ θ γ γ ’ e- γ pr E γ ' pr E e p r E a b a. Hiệu ứng Comptom
35
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển
động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây: 2g = 2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
B( Ehij); 24 = 2 B( Ehij) B( Ehij) E’: năng lượng gamma sau tán xạ
Ee: năng lượng electron sau tán xạ φ: góc bay của gamma sau tán xạ θ: góc bay của electron sau tán xạ
8 = 2 F4_; F4_ = 0,51 C1^ Mối liên hệ giữa θ và φ: lmθ = −opqr s t u uv
Sau tán xạ Compton, năng lượng gamma giảm, bước sóng của nó tăng. Độ tăng bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ theo biểu thức: Δc = cg− c = 2cEZ!(x/2)
Trong đó: cE = y
DzE = 2,42. 10 F: bước sóng Compton
Từ biểu thức độ tăng bước sóng, ta thấy hiệu ứng Compton không đóng vai trò
đáng kể đối với ánh sáng nhìn thấy hoặc ngay cả với tia X năng lượng thấp. Hiệu ứng Compton chỉđóng góp lớn đối với tia gamma sóng ngắn, hay năng lượng cao, sao cho Δc ≈ c
+ Hiệu ứng sinh cặp electron-positron: Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh electron (1,02MeV) thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron-positron (hình 1.11). Đó là hiệu ứng sinh cặp electron- positron.
36
Hiệu ứng này chỉ xảy ra khi năng lượng E của gamma vào lớn hơn 1,02 MeV. Hiệu số năng lượng E-2mec2 bằng tổng động năng của electron Ee- và positron Ee+ bay ra. Do hai hạt này có khối lượng bằng nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có năng lượng bằng nhau Ee- = Ee+. Electron mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường. Positron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau nên gọi là hiện tượng hủy electron - positron. Khi hủy electron-positron hai lượng tử gamma được sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,51 MeV, tức là năng lượng tổng cộng của chúng bằng tổng khối lượng hai hạt electron và positron 1,02 MeV.
*Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất:
Khi xem xét sự phụ thuộc các tiết diện phản ứng trên vào năng lượng E của gamma và điện tích Z của vật chất, suy ra rằng trong miền năng lượng bé hơn E1 cơ chế cơ
bản trong tương tác gamma với vật chất là hiệu ứng quang điện, trong miền năng lượng trung gian E1 < E < E2 là hiệu ứng Compton và trong miền năng lượng cao E >E2 là quá trình tạo cặp electron-positron. Các giá trị năng lượng E1, E2 phụ thuộc vào vật chất mà gamma tương tác. Đối với nhôm thì E1=50 keV và E2=15 MeV, còn đối với chì thì E1=500keV và E2=5 MeV. γ e- e+ Hình 1.11:Các photon hủy cặp0,51MeV e-
37