Absorpce záření g

    Při rozpadu atomových jader dochází často k uvolňování záření g, což je elektromagnetické záření o vlnové délce kratší než má rentgenové záření. Při přechodu jádra z vyšší energetické hladiny E_i na některou nižší energetickou hladinu E_j dochází k vyzáření kvanta záření g, jehož energie je dána rozdílem energií příslušných hladin, tj.

kde h je Planckova konstanta, n kmitočet vysílaného kvanta.

    Prochází-li záření g látkou, dochází k jeho absorpci. Poněvadž je elektromagnetické povahy, interaguje především s elektronovým obalem atomů látky nebo Coulombovským polem jader. Na absorbci se tudíž podílejí tři mechanismy : fotoefekt, Comptonův jev a tvoření párů elektron-pozitron.

    Při fotoefektu dochází k absorpci záření g elektronem atomového obalu. Část energie absorbovaného kvanta se spotřebuje na uvolnění elektronu z atomového obalu ( vazebná energie elektronu W_v ) , zbylou energii si odnáší uvolněný elektron ve formě kinetické energie. Kvantitativně tento jev popisuje Einsteinova rovnice fotoefektu

kde m_e a v je hmotnost a rychlost vyraženého elektronu. Fotoelektronytedy mají diskrétní hodnoty kinetické energie, která je pro danou energii primárního kvanta g určena energií slupky, z níž byly vyraženy.

    Největší pravděpodobnost vzniku fotoelektronů je u elektronů vnitřních slupek a tato pravděpodobnost roste se čtvrtou až pátou mocninou atomového čísla. Na uvolněné místo přechází elektron vyšších energetických hladin, čímž dojde k následnému vyzáření kvanta rentgenového záření. Uvolněný rychlý fotoelektron ztrácí svou energii interakcí s dalšími atomy absorbátoru.

    Ke Comptnovu jevu dochází při interakci fotonu s volným nebo slabě vázaným elektronem. Při tomto jevu je část energie dopadajícího kvanta předána elektronu na jeho uvolnění z atomu, což je zanedbatelně malá energie ve srovnání s celkovou energií dopadajícího kvanta. Zbylá energie se potom rozdělí podle zákonů zachování energie a impulsu mezi tento elektron a nové kvantum o nižší energii než byla energie původního kvanta. Pravděpodobnost Comptonova rozptylu roste lineárně s růstem atomového čísla.

    Při energii dopadajícího kvanta větší než je dvojnásobek energie odpovídající klidové hmotnosti elektronu, tj. E_g>1,022MeV, může nastat třetí typ absorpce, tvorba elektron-pozitronových párů. Původní kvantum při tomto procesu mizí a jeho energii si odnáší vzniklé částice elektron a pozitron. Energetickou bilanci popisuje rovnice:

kde E^-, E⁺ jsou kinetické energie vzniklého elektronu resp. pozitronu. Tato reakce nastává pouze v blízkosti jádra v důsledku interakce kvanta g s elektromagnetickým polem jádra. Pozitron potom zaniká anihilací. Nejprve se zpomalí v důsledku ionizačních srážek a posléze se spojí s elektronem atomu za vzniku dvou kvant g s energiemi odpovídajícími klidové energii elektronu, které se rozletí opačnými směry.

    Kvantitativně lze charakterizovat absorpci záření g na základě následující úvahy. Předpokládejme, že intenzita vstupního svazku paprsků je I_{0 a abs}orbátor obsahuje n atomů v objemové jednotce. Prochází-li absorbátorem tloušťky dx, zmenší se intenzita původního svazku o dI, které je úměrné intenzitě původního svazku a počtu atomů v objemové jednotce absorbátoru, tj.

kde koeficient úměrnosti d odpovídá účinnému průřezu absorpce kvanta g v atomu a zřejmě platí

_kde d_F, d_C, d_P jsou účinné průřezy fotoefektu, Comptonova jevu a tvorby elektron-pozitronových párů. Zavedeme-li dále tzv. lineární absorpční koeficient m = nd a rovnici (4) zintegrujeme, dostáváme vztah pro závislost intenzity záření po průchodu absorbátorem tloušťky x

    Z tohoto vztahu vyplývá, že intenzita záření exponenciálně klesá s tloušťkou absorbátoru.

    Z rovnice (5) a definice lineárního absorbčního koeficientu vyplývá, že je rovněž určen třemi složkami podle typu interakce. Při nízkých energiích převládá absorpce fotoefektem, která s rostoucí energií rychle ubývá. Při středních energiích se na absorpci nejvíce podílí Comptonův jev při vyšších energiích pak má největší podíl tvorba párů. Celková absorpce vykazuje pro všechny prvky minimum při určité energii záření g . Při určování energie záření z absorpce může tento fakt vést k nejednoznačnosti , neboť např. pro olovo k jedné hodnotě lineárního součinitele absorpce lze přiřadit dvě různé hodnoty energie. Obvykle však je možné jednu hodnotu vyloučit na základě obecných úvah, např. celkové energie, která je při daném rozpadu k dispozici.

    Kromě lineárního součinitele absorpce lze pohlcování záření látkou charakterizovat tzv. polotloušťkou, což je tloušťka absorbátoru, která zeslabí intenzitu dopadajícího záření na polovinu. Z této definice a z rovnice (6) ihned vyplývá vztah mezi polotloušťkou a lineárním absorbčním koeficientem.