2) >1,02 КэВ
3) >1,25 МэВ
4) <1,25 КэВ
Правильный ответ: энергия фотона должна превышать 1,02 МэВ. Речь идет о рождении электрон-позитронной пары в кулоновском поле атомного ядра: гамма-квант исчезает, а его энергия преобразуется в энергию покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона. Минимальная энергия определяется суммой энергий покоя двух частиц: 2 × 0,511 МэВ = 1,022 МэВ; поэтому практически указывают порог более 1,02 МэВ.
Взаимодействие происходит преимущественно в поле ядра, которое обеспечивает сохранение импульса за счет отдачи. Энергия сверх пороговой расходуется на кинетическое движение образовавшихся частиц. Позитрон после замедления аннигилирует с электроном, обычно формируя два аннигиляционных фотона по 511 кэВ, распространяющихся приблизительно в противоположных направлениях. Вероятность образования пар увеличивается с ростом энергии фотона и атомного номера вещества, поэтому эффект особенно значим в материалах с высоким Z и при высокоэнергетической лучевой терапии.
Порог 1,25 МэВ не является физическим условием рождения пары, а может встречаться как характеристическая энергия отдельных источников или клинических режимов облучения. Энергии порядка килоэлектронвольт недостаточно для преодоления энергетического порога. Образование пар относится к основным механизмам взаимодействия фотонов наряду с фотоэффектом и комптоновским рассеянием.
| Механизм | Энергетическое условие | Результат взаимодействия | Определяющие факторы | Практическое значение |
|---|---|---|---|---|
| Фотоэффект | Энергия фотона выше энергии связи электрона на оболочке | Вылет фотоэлектрона и образование вакансии с последующим характеристическим излучением или эмиссией электрона Оже | Преимущественно низкие энергии; резко возрастает с увеличением атомного номера | Формирует контраст при рентгеновских исследованиях и способствует поглощению низкоэнергетических фотонов |
| Комптоновское рассеяние | Не имеет фиксированного порога, определяется энергией связи внешнего электрона | Фотон передает часть энергии электрону и изменяет направление движения | Зависит главным образом от электронной плотности вещества | Доминирует в широком диапазоне диагностических и терапевтических энергий, ухудшая контраст и создавая рассеянную дозу |
| Рождение электрон-позитронной пары | Минимум 1,022 МэВ; практически требуется энергия более 1,02 МэВ | Образуются электрон и позитрон; позитрон завершает путь аннигиляцией с электроном | Вероятность возрастает с энергией фотона и атомным номером среды | Существенно для высокоэнергетической радиотерапии, экранирования и физики детекторов |
| Аннигиляция позитрона | Происходит после замедления позитрона в веществе | Обычно образуются два фотона по 511 кэВ | Определяется взаимодействием позитрона с электронами среды | Используется в позитронно-эмиссионной томографии для регистрации совпадающих аннигиляционных фотонов |
| Фотоядерное взаимодействие | Обычно требует энергий выше нескольких МэВ, зависящих от ядра | Возбуждение или распад ядра с испусканием нейтронов и других частиц | Зависит от энергии фотона и ядерного состава материала | Может приводить к появлению наведенной радиоактивности и нейтронного компонента при сверхвысоких энергиях |
Таким образом, величина 1,02 МэВ отражает фундаментальный энергетический порог, равный удвоенной энергии покоя электрона. В медицинской физике учет образования пар необходим при расчетах поглощенной дозы и переносе энергии в высокоэнергетических фотонных пучках. Возникающие электроны и позитроны инициируют вторичную ионизацию, которая в конечном счете определяет значительную часть дозового эффекта. Аннигиляционные фотоны могут дополнительно участвовать в переносе энергии и регистрироваться диагностическими системами.