γ射線與物質的相互作用

γ射線是一種強電磁波，它的波長比X射線短，一般波長<0.001nm。

基本介紹

• 中文名：γ射線與物質的相互作用
• 波長：<0.001nm
• 物理學家：康普頓(A.H.Compton)
• 國家：美國

γ射線基本性質

γ射線是一種強電磁波，它的波長比X射線短，一般波長<0.001nm。在原子核反應中，當原子核發生α、β衰變後，往往衰變到某個激發態，處於激發態的原子核仍是不穩定的，並且會通過釋放一系列能量使其躍遷到穩定的狀態，而這些能量的釋放是通過射線輻射來實現的，這種射線就是γ射線。

γ射線起源於原子核能量狀態變化過程；X射線起源於原子核外電子能量狀態變化過程；湮沒輻射起源於正負電子的結合；軔致輻射起源於帶電粒子的加速運動，這些輻射能量各不相同，但同屬電磁輻射，也滿足 Ε=hν。

γ射線與物質的相互作用機制屬於全或無相互作用，不同於α、β射線的多次小相互作用，γ射線穿透物質後強度減小但能量幾乎不降低，α、β射線穿透物質後強度減小，能量也降低。

γ射線具有極強的穿透本領。人體受到γ射線照射時，γ射線可以進入到人體的內部，並與體內細胞發生電離作用，電離產生的離子能侵蝕複雜的有機分子，如蛋白質、核酸和酶，它們都是構成活細胞組織的主要成份，一旦它們遭到破壞，就會導致人體內的正常化學過程受到干擾，嚴重的可以使細胞死亡。

光電效應

γ光子與介質的原子相互作用時，整個光子被原子吸收，其所有能量傳遞給原子中的一個電子（多發生於內層電子）。該電子獲得能量後就離開原子而被發射出來，稱為光電子。光電子的能量等於入射γ光子的能量減去電子的結合能。光電子與普通電子一樣，能繼續與介質產生激發、電離等作用。由於電子殼層出現空位，外層電子補空位並發射特徵X射線。

康普頓效應

1923年美國物理學家康普頓(A.H.Compton)發現X光與電子散射時波長會發生移動，稱為康普頓效應。 　γ光子與原子外層電子（可視為自由電子）發生彈性碰撞，γ光子只將部分能量傳遞給原子中外層電子，使該電子脫離核的束縛從原子中射出。光子本身改變運動方向。被發射出的電子稱康普頓電子，能繼續與介質發生相互相互作用。散射光子與入射光子的方向間夾角稱為散射角，一般記為θ。反衝電子反衝方向與入射光子的方向間夾角稱為反衝角，一般記為φ。當散射角θ=0°，散射光子的能量為最大值，這時反衝電子的能量為0，光子能量沒有損失；當散射角θ=180°時，入射光子和電子對頭碰撞，沿相反方向散射回來，而反衝電子沿入射光子方向飛出，這種情況稱反散射，此時散射光子的能量最小。

電子對效應

能量大於1.02MeV的γ光子從原子核旁經過時，在原子核的庫侖場作用下，γ光子轉變成一個電子和一個正電子。光子的能量一部分轉變成正負電子的靜止能量(1.02MeV)，其餘就作為它們的動能。被發射出的電子還能繼續與介質產生激發、電離等作用；正電子在損失能量之後，將於物質中的負電子相結合而變成γ射線，即湮沒(annihilation)，探測這種湮沒輻射是判明正電子產生的可靠實驗依據。

其他次要作用

相干散射

對低能光子（能量遠小於電子靜止能量）來說，內層電子受原子核束縛較緊不能視為自由電子。如果光子和這種束縛電子碰撞，相當於和整個原子相碰，碰撞中光子傳給原子的能量很小，幾乎保持自己的能量不變。這樣散射光中就保留了原波長。稱為湯姆遜散射(Thomson scattering)或瑞利散射(Rayleigh scattering)或相干散射(coherent scattering)。由於內層電子的數目隨散射物原子序數的增加而增加，外層電子所占比例降低，所以波長不變的散射光子強度隨之增強，而波長變長的康普頓散射光子強度隨之減弱。 　瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度範圍內。即其光子角分布在光子的前進方向有尖銳的峰，偏轉光子的能量損失可以忽略。隨著散射光子散射角φ增大，波長不變的瑞利散射光子相對強度逐漸減弱，而波長變長的康普頓散射光子相對強度逐漸增強，同時波長的改變數也逐漸增大。

光致核反應

也稱為光核吸收，大於一定能量的γ光子與物質原子的原子核作用，能發射出粒子，例如（γ，n）反應。但這種相互作用的大小與其它效應相比是小的，所以可以忽略不計。光核吸收的閾能在5MeV或更高，這種過程類似於原子光電效應，但在這一過程中光子為原子核所吸收而不是由圍繞核轉動的殼層電子，光核吸收一般會引起中子的發射。光核吸收最顯著的特點是“巨共振” (giant resonance)。光核反應中的巨共振是一種偶極共振，它來自γ光子所引起的核的電偶極激發，稱為巨偶極共振(Giant Dipole Resonance，GDR)。對於輕核，吸收截面的中心約在24MeV。隨著靶核質量數增加，中心能量減小，巨共振峰的位置也隨之減小，最重的穩定為12MeV，巨共振的寬度(相應於半最大高度截面的能量差)隨靶核而變化，大約為3-9MeV。即使是共振峰，光核截面比前面提到的光電截面要小，它對總截面的貢獻小於10%，然而在輻射禁止設計中，光核吸收很重要，因為所發射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性。在輻照技術中引起的放射性顯得更重要。

核共振反應

入射光子把原子核激發到激發態，然後退激時再放出γ光子。

綜述

前三種相互作用影響最大，如圖1所示。光子能量在100keV至30MeV範圍內，後三種次要次要的相互作用方式對於γ射線的吸收所做的貢獻小於1%。對於窄束γ射線（即通過吸收片後的γ光子僅由未經相互作用或稱為未經碰撞的光子所組成），μ記作γ射線穿過吸收介質的匯流排性衰減係數，它包含了γ光子真正被介質吸收和被散射離開準直的兩種貢獻。有的研究直接將μ表述為總吸收係數，μ相當於介質對γ射線的巨觀吸收截面，μ的量綱為長度的倒數 ，顯然μ值反映了介質對於γ射線的吸收能力。

對於低能γ射線和原子序數高的吸收物質，光電效應占優勢；對於中能γ射線和原子序數低的吸收物質，康普頓效應占優勢；對於高能γ射線和原子序數高的吸收物質，電子對效應占優勢。三者相對強弱可表示為圖2。

圖1 γ射線與物質的相互作用示意圖

圖2 γ射線與物質的相互作用相對強弱