深入探讨γ射线和物质的相互作用

γ射线与X射线虽然产生的物理机制不同，但都属电磁辐射。γ射线与物质的相互作用和β射线与物质的相互作用有着显著的区别。γ射线与物质相互作用有许多方式，在γ射线能量低于30MeV时，主要形式为光电效应、康普顿效应和电子对效应三种。

1.光电效应

当γ光子与物质中原子作用时，将全部能量转移给某一轨道电子，结果γ光子被吸收，并发射一个能量为E_e的电子。该过程称为光电效应，可用下式表示

E_e=hν-E_i （2.5-5）

式中 hν——为入射γ光子的能量；

E_i——为轨道电子的结合能。

光电效应截面近似地与吸收体原子序数Z的四次方成正比，与γ光子能量的三次方成反比。

2.康普顿效应

γ光子与原子的核外电子发生非弹性散射的过程称为康普顿效应，在此过程中γ光子的一部分能量转移给电子，使之脱离原子核，散射光子的能量和运动方向都发生变化。康普顿效应与光电效应不同，在光电效应中γ光子本身消失，能量完全转移给电子，主要发生在原子核的内层电子，而康普顿效应总是发生在外层电子，且光子只是失去一部分能量。康普顿效应产生的反冲电子及散射光子的能量与运动方向可根据相对论，用能量及动量守恒定律公式计算。

反冲电子能量

式中 θ——散射光子与入射光子运动方向的夹角，称为散射角。

散射光子能量等于入射光子与电子能量之差。

由式（2.5-6）可见，当θ=180°时，反冲电子能量最大。

康普顿效应截面近似地与入射光子能量无关，与吸收体的原子序数Z成正比。

3.电子对效应

γ光子在原子核库仑场作用下，还有可能转化为一个电子和一个正电子，称之为电子对效应。这时正负电子对的能量与入射γ光子的能量之差为2m₀c²其中m₀为正负电子的静止质量。其反应截面大体上与吸收体物质原子序数Z的平方成正比，随入射光子能量线性增加。

4.γ曲线的衰减与吸收(www.xing528.com)

γ射线在通过物质时，由于上述各种作用而被吸收。然而，由于其过程与β射线不同，γ射线在通过物质时，只是强度逐渐减弱，没有与物质发生过相互作用的γ光子穿过吸收层时其能量保持不变，因此没有射程的概念。γ射线通过物质后强度的变化也有类似β射线的按指数衰减的关系式

在这里μ或μ_m也称为吸收系数。然而由于γ射线与β射线与物质相互作用的机制不同，吸收系数的意义也不相同。加上散射作用的影响，一部分γ光子经作用后，变成了能量不同、方向不同的γ光子，这样在散射影响不能忽略时，上述表达式还需加上积累因子的修正。

式（2.5-8）中吸收系数是光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用之总和，若分别考虑每种作用的影响则总吸收系数μ可用下式表达

μ=μ_ph+μ_c+μ_p （2.5-9）

式中，μ_ph、μ_c和μ_p分别表示光电吸收系数，康普顿吸收系数和电子对吸收系数。

类似地，γ射线减弱一半时，即I=0.5I₀的质量厚度称为半吸收厚度

Δ_1/2=ln2/μ_m=0.693μ_m （2.5-10）

图2.5-5所示为某些材料的吸收系数与γ射线能量的关系，图中分别示出了三种效应随能量的变化。表2.5-3及表2.5-4分别列出了部分单质和部分材料对不同能量γ射线的质量衰减系数。

图2.5-5 某些材料的吸收系数与γ射线能量的关系

表2.5-3 部分单质对不同能量γ射线的质量衰减系数 （单位：cm²/g）

（续）

表2.5-4 部分材料对不同能量γ射线的质量衰减系数 （单位：cm²/g）