2) Z4
3) Z2
4) Z (+)
При комптоновском рассеянии вероятность взаимодействия γ-кванта с одним электроном определяется энергией фотона и описывается сечением Клейна—Нишины. Для атома суммарное сечение приблизительно равно сумме сечений взаимодействия со всеми электронами, а число электронов в нейтральном атоме пропорционально заряду ядра Z. Поэтому при фиксированной энергии γ-кванта вероятность комптоновского взаимодействия на атом пропорциональна Z, что соответствует варианту 4.
Механизм состоит в упругом столкновении фотона со слабосвязанным или практически свободным электроном. Часть энергии и импульса передаётся электрону отдачи, а рассеянный фотон меняет направление и имеет меньшую энергию. Зависимость от заряда ядра здесь возникает преимущественно через количество электронов-мишеней, а не через прямое взаимодействие фотона с ядерным полем. В макроскопическом веществе коэффициент ослабления дополнительно зависит от плотности, атомной массы и концентрации вещества; поэтому зависимость на единицу массы может быть слабее, чем зависимость на один атом.
Этим комптоновский эффект отличается от фотоэлектрического поглощения и рождения электрон-позитронных пар, для которых существенна сила кулоновского поля ядра и зависимость от Z выражена значительно сильнее. Комптоновское рассеяние преобладает в промежуточном диапазоне энергий и в средах со средним и высоким атомным номером, когда энергия фотона уже недостаточна для доминирования процессов парообразования.
| Вид взаимодействия | Основная мишень | Приближённая зависимость от Z | Изменение энергии фотона | Характерный признак |
|---|---|---|---|---|
| Комптоновское рассеяние | Свободный или слабосвязанный электрон | Z1 | Фотон сохраняется, но теряет часть энергии | Возникает электрон отдачи и рассеянный фотон; зависимость определяется числом электронов |
| Фотоэлектрическое поглощение | Связанный электрон атомной оболочки | Приблизительно Z4–5 | Фотон полностью поглощается | Испускается фотоэлектрон; возможны характеристическое рентгеновское излучение и Оже-электроны |
| Рождение электрон-позитронных пар | Кулоновское поле ядра | Приблизительно Z2 | Фотон исчезает, энергия превращается в массу и кинетическую энергию пары | Пороговая энергия фотона — 1,022 МэВ; последующая аннигиляция даёт фотоны по 511 кэВ |
| Рождение пар в поле электрона | Поле атомного электрона | Приблизительно Z | Фотон исчезает с образованием пары | Процесс называют триплетным образованием пар; вероятность ниже, чем в поле ядра |
| Когерентное (рэлеевское) рассеяние | Атом в целом | Приблизительно Z2 | Энергия фотона практически не изменяется | Меняется преимущественно направление распространения; ионизации не происходит |
Следовательно, линейная зависимость от Z является отличительным признаком комптоновского взаимодействия на уровне отдельного атома. На практике вклад этого процесса оценивают с учётом энергии фотона и состава, плотности и толщины поглотителя. При комптоновском рассеянии вторичные электроны создают основную часть ионизации и дозы в веществе, тогда как рассеянные γ-кванты формируют компонент рассеянного излучения.