2) свыше 1 ГэВ
3) 511 Кэв
4) 1,02 МэВ (+)
Порог образования электрон-позитронной пары определяется суммарной энергией покоя двух частиц: 2mec2 = 2 × 0,511 = 1,022 МэВ. Поэтому минимальная энергия фотона должна быть не менее 1,02 МэВ. Процесс происходит преимущественно в кулоновском поле атомного ядра, которое принимает часть импульса и обеспечивает выполнение законов сохранения энергии и импульса.
Энергия 511 кэВ соответствует энергии покоя только одной частицы — электрона или позитрона, поэтому она не может быть порогом образования пары. После возникновения позитрон теряет кинетическую энергию и аннигилирует с электроном; обычно образуются два фотона по 511 кэВ, направленных приблизительно в противоположные стороны. Значения 10 МэВ и свыше 1 ГэВ характеризуют уже более высокие энергетические диапазоны, но не минимальное условие данного взаимодействия.
Вероятность образования пар возрастает с увеличением энергии фотона выше порога и с ростом атомного номера вещества, поскольку процесс усиливается в сильном кулоновском поле тяжелых ядер. В радиотерапии этот вид взаимодействия становится более значимым при использовании высокоэнергетических фотонных пучков и учитывается при оценке дозового распределения и формирования вторичных электронов.
| Вид взаимодействия | Энергетическое условие | Основной механизм | Практическое значение |
|---|---|---|---|
| Фотоэффект | Энергия фотона превышает энергию связи электрона на оболочке | Полное поглощение фотона с выбиванием связанного электрона | Более характерен для низких энергий и материалов с высоким атомным номером |
| Комптоновское рассеяние | Не имеет фиксированного порога; вероятность зависит от энергии фотона и плотности электронов | Передача части энергии свободному или слабосвязанному электрону с изменением направления фотона | Имеет существенное значение в диагностическом диапазоне и при терапевтических энергиях порядка нескольких МэВ |
| Образование электрон-позитронных пар в поле ядра | Не менее 1,022 МэВ | Превращение фотона в электрон и позитрон при участии кулоновского поля ядра | Вероятность возрастает с энергией фотона и примерно пропорциональна Z2 |
| Триплетное образование пар в поле электрона | Порог около 2,044 МэВ | Образование пары с участием атомного электрона, который также получает отдачу | Вещество-ядерный механизм преобладает при обычных условиях; процесс имеет меньшее значение |
| Аннигиляция позитрона | После замедления позитрона; суммарная энергия покоя системы 1,022 МэВ | Позитрон и электрон превращаются преимущественно в два фотона по 511 кэВ | Лежит в основе регистрации позитронов в ПЭТ и формирования аннигиляционного излучения |
| Фотоядерное взаимодействие | Обычно требует энергии свыше нескольких МэВ, в зависимости от ядра | Поглощение фотона ядром с испусканием нейтрона или других частиц | Может приводить к нейтронному загрязнению при высокоэнергетической лучевой терапии |
Таким образом, правильный порог образования пары в поле ядра равен 1,02 МэВ, поскольку эта энергия компенсирует массу покоя электрона и позитрона. Избыток энергии фотона над порогом переходит в кинетическую энергию образовавшихся частиц и энергию отдачи ядра. Чем выше энергия фотона, тем больше вклад этого процесса в ослабление излучения и образование вторичных электронов. Аннигиляционные фотоны по 511 кэВ являются следствием последующей судьбы позитрона, а не исходным порогом образования пары.