γ射线与物质的相互作用
γ射线与物质的相互作用
γ射线基本性质
γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线短，一般波长＜0.001nm。在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。
γ射线起源于原子核能量状态变化过程；X射线起源于原子核外电子能量状态变化过程；湮没辐射起源于正负电子的结合；轫致辐射起源于带电粒子的加速运动，这些辐射能量各不相同，但同属电磁辐射，也满足 Ε=hν。
γ射线与物质的相互作用机制属于全或无相互作用，不同于α、β射线的多次小相互作用，γ射线穿透物质后强度减小但能力几乎不降低，α、β射线穿透物质后强度减小，能量也降低。
γ射线具有极强的穿透本领。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。
(1)光电效应
γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子的能量等于入射γ光子的能量减去电子的结合能。光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。
(2)康普顿效应
1923年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)发现X光与电子散射时波长会发生移动，称为康普顿效应。 γ光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，γ光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互相互作用。散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角，一般记为φ。当散射角θ=0，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。
(3)电子对效应
能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV)，其余就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将于物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没(annihilation)，探测这种湮没辐射是判明正电子产生的可靠实验依据。
(4)其他次要作用
相干散射
对低能光子（能量远小于电子静止能量）来说，内层电子受原子核束缚较紧不能视为自由电子。如果光子和这种束缚电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长。称为汤姆逊散射(Thomson scattering)或瑞利散射(Rayleigh scattering)或相干散射(coherent scattering)。由于内层电子的数目随散射物原子序数的增加而增加，外层电子所占比例降低，所以波长不变的散射光子强度随之增强，而波长变长的康普顿散射光子强度随之减弱。 瑞利相干散射引起的散射光子限制在小角度范围内。即其光子角分布在光子的前进方向有尖锐的峰，偏转光子的能量损失可以忽略。随着散射光子散射角φ增大，波长不变的瑞利散射光子相对强度逐渐减弱，而波长变长的康普顿散射光子相对强度逐渐增强，同时波长的改变量也逐渐增大。
光致核反应
也称为光核吸收，大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n）反应。但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计。光核吸收的阈能在5MeV或更高，这种过程类似于原子光电效应，但在这一过程中光子为原子核所吸收而不是由围绕核转动的壳层电子，光核吸收一般会引起中子的发射。光核吸收最显著的特点是“巨共振” (giant resonance)。光核反应中的巨共振是一种偶极共振，它来自γ光子所引起的核的电偶极激发，称为巨偶极共振(Giant Dipole Resonance，GDR)。对于轻核，吸收截面的中心约在24MeV。随着靶核质量数增加，中心能量减小，巨共振峰的位置也随之减小，最重的稳定为12MeV，巨共振的宽度(相应于半最大高度截面的能量差)随靶核而变化，大约为3-9MeV。即使是共振峰，光核截面比前面提到的光电截面要小，它对总截面的贡献小于10%，然而在辐射屏蔽设计中，光核吸收很重要，因为所发射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性。在辐照技术中引起的放射性显得更重要。
核共振反应
入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。
综述
前三种相互作用影响最大，如图1所示。光子能量在100keV至30MeV范围内，后三种次要次要的相互作用方式对于γ射线的吸收所做的贡献小于1%。对于窄束γ射线（即通过吸收片后的γ光子仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成），μ记作γ射线穿过吸收介质的总线性衰减系数，它包含了γ光子真正被介质吸收和被散射离开准直的两种贡献。有的研究直接将μ表述为总吸收系数，μ相当于介质对γ射线的宏观吸收截面，μ的量纲为长度的倒数 ，显然μ值反映了介质对于γ射线的吸收能力。
对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。三者相对强弱可表示为图2。