2) Z
3) Z2 (+)
4) Z4
Образование электрон-позитронной пары происходит при взаимодействии γ-кванта с электрическим полем атомного ядра. Энергия фотона преобразуется в энергию покоя электрона и позитрона, а её избыток — в их кинетическую энергию и энергию отдачи ядра. Пороговая энергия процесса составляет 1,022 МэВ, то есть удвоенную энергию покоя электрона.
Вероятность образования пары в поле ядра приблизительно пропорциональна Z2, поскольку интенсивность кулоновского поля возрастает с зарядом ядра, а сечение взаимодействия определяется квадратом соответствующей амплитуды. Поэтому в веществах с высоким атомным номером вклад парообразования в ослабление высокоэнергетического фотонного излучения значительно выше. Процесс становится особенно существенным при энергиях γ-квантов в несколько мегаэлектронвольт и выше.
| Процесс взаимодействия | Основная зависимость от Z | Энергетическая область | Характерный результат |
|---|---|---|---|
| Фотоэлектрическое поглощение | Приблизительно Z4–5 | Преимущественно низкие энергии фотонов | Полное поглощение фотона с выбиванием связанного электрона |
| Комптоновское рассеяние | Примерно пропорционально Z на атом | Средние энергии | Рассеянный фотон и электрон отдачи |
| Образование пары в поле ядра | Z2 | Выше 1,022 МэВ, возрастает при повышении энергии | Электрон, позитрон и отдача ядра |
| Образование пары в поле электрона | Менее выраженная зависимость от Z | Порог выше — около 2,044 МэВ | Электрон-позитронная пара и электрон отдачи |
| Аннигиляция позитрона | Не является первичным процессом ослабления γ-кванта | После торможения позитрона | Обычно два фотона по 511 кэВ |
| Практическое значение высокого Z | Усиливает вероятность парообразования | Высокоэнергетическое фотонное излучение | Повышает эффективность ослабления в тяжёлых материалах |
При расчёте радиационной защиты необходимо учитывать не только первичное поглощение γ-кванта, но и последующее аннигиляционное излучение с энергией 511 кэВ. Вклад парообразования возрастает одновременно с энергией фотонов и атомным номером поглотителя. Поэтому для высокоэнергетических ускорительных установок применяют многослойную защиту, рассчитанную на поглощение как первичного, так и вторичного фотонного излучения. Зависимость от Z2 является ключевым физическим основанием выбора материалов защиты в мегавольтном диапазоне энергий.