2) образование пар (+)
3) комптон-эффект
4) фотоэффект
При энергии гамма-кванта выше 1,02 МэВ становится энергетически возможным образование электрон-позитронной пары. Порог соответствует суммарной энергии покоя двух частиц: 2 × 0,511 МэВ. В веществах с большим атомным номером этот процесс приобретает основное значение, поскольку вероятность взаимодействия с кулоновским полем атомного ядра резко возрастает приблизительно пропорционально квадрату атомного номера.
Гамма-квант исчезает в поле ядра и превращается в электрон и позитрон; ядро получает небольшую отдачу, необходимую для выполнения законов сохранения энергии и импульса. Энергия, превышающая 1,022 МэВ, распределяется преимущественно как кинетическая энергия образовавшихся частиц и вызывает последующую ионизацию среды. После замедления позитрон аннигилирует с электроном, обычно образуя два фотона по 0,511 МэВ, что формирует характерный каскад вторичного излучения.
Фотоэффект наиболее вероятен при низких энергиях и также усиливается с ростом атомного номера, однако быстро ослабевает с увеличением энергии фотона. Комптоновское рассеяние имеет более слабую зависимость от атомного номера и преобладает в промежуточном энергетическом диапазоне. Ядерные реакции требуют специфических условий и при рассматриваемых энергиях обычно не являются главным механизмом ослабления гамма-излучения, поэтому правильным является образование пар.
| Взаимодействие | Энергетические условия | Основной механизм | Зависимость от атомного номера | Характерный результат |
|---|---|---|---|---|
| Фотоэффект | Низкие энергии фотонов | Полное поглощение фотона с выбиванием фотоэлектрона | Сильно возрастает при увеличении Z | Фотоэлектрон, характеристическое рентгеновское излучение, оже-электроны |
| Комптоновское рассеяние | Промежуточные энергии | Передача части энергии связанному или практически свободному электрону | Примерно пропорционально числу электронов, то есть Z | Рассеянный фотон и электрон отдачи |
| Образование пары в поле ядра | Порог от 1,022 МэВ; особенно значимо при высоких энергиях | Превращение фотона в электрон и позитрон с участием кулоновского поля ядра | Вероятность существенно увеличивается примерно как Z2 | Электрон-позитронный каскад и последующая аннигиляция |
| Триплетное образование пары | Выше 1,022 МэВ, преимущественно в поле электрона | Образование электрона и позитрона с отдачей атомного электрона | Зависит главным образом от числа электронов, приблизительно от Z | Электрон, позитрон и электрон отдачи |
| Ядерные реакции | Требуют определённых пороговых энергий и ядерных уровней | Поглощение фотона ядром с изменением его состава или возбуждением | Определяется строением конкретного ядра, а не только величиной Z | Нейтроны, протоны, гамма-кванты или радиоактивные продукты |
| Фотоны аннигиляции | После замедления позитрона | Взаимное уничтожение позитрона и электрона | Не является первичным взаимодействием гамма-кванта | Обычно два фотона по 511 кэВ, разлетающиеся примерно в противоположных направлениях |
Образование пар является ключевым механизмом поглощения высокоэнергетических гамма-квантов в свинце, вольфраме и других материалах с большим атомным номером. Его значение лежит в основе выбора тяжёлых защитных материалов и расчёта радиационных каскадов в экранах и детекторах. В медицинской физике этот процесс также учитывают при моделировании дозового распределения для гамма-излучения высоких энергий. Вторичные электроны, позитроны и фотоны аннигиляции обеспечивают значительную часть ионизации и переноса энергии в облучаемой среде.