Interazione dei gamma I fotoni, a differenza delle particelle cariche, interagiscono con la materia attraverso dei processi «catastrofici», nei quali perdono una frazione consistente della loro energia, modificando profondamente il loro stato iniziale: Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di coppie e+e- I fotoni che conservano esattamente il loro stato iniziale sono quelli che non hanno interagito!

Interazione dei gamma I(x) = I0 exp(-μx) μ = N σtot Sezioni d’urto di interazione: molto minori di quelle relative ai processi con particelle cariche. L’attenuazione del numero di fotoni incidenti in un materiale segue in prima approssimazione una legge esponenziale: I(x) = I0 exp(-μx) I0 = Intensità iniziale del fascio I = Intensità del fascio dopo uno spessore x μ = Coefficiente di assorbimento, proporzionale alla densità di atomi N e alla sezione d’urto totale per atomo μ = N σtot

Interazione dei gamma σtot = σphot + Z σComp + σcoppie La sezione d’urto totale è la somma di quelle relative ai 3 processi possibili σtot = σphot + Z σComp + σcoppie

Interazione dei gamma Alluminio Sezioni d’urto dei vari processi di interazione dei gamma in funzione dell’energia. Alluminio

Interazione dei gamma Piombo Sezioni d’urto dei vari processi di interazione dei gamma in funzione dell’energia. Piombo

Interazione dei gamma Coefficiente di assorbimento in funzione dell’energia

Interazione dei gamma Kmax = h ν - W0 Effetto fotoelettrico: Emissione di elettroni con energia cinetica massima data da: Kmax = h ν - W0 W0 = Lavoro di estrazione (pochi eV) Sostanzialmente elettroni con energia pari a quella del fotone Sezione d’urto ≈ Z5 / Eγ 7/2

Interazione dei gamma Sezione d’urto per effetto fotoelettrico, calcolata per il Pb. Il processo fotoelettrico è importante a basse energie, mentre decresce velocemente con l’energia del fotone.

Interazione dei gamma h ν’ = h ν / [ 1 + γ (1 – cos θ ) ] Effetto Compton: Nel processo Compton il fotone trasferisce parte della sua energia/impulso ad un elettrone. Nello stato finale si ha un elettrone e un fotone diffuso, con conservazione dell’energia e dell’impulso. L’energia del fotone diffuso dipende dall’angolo: h ν’ = h ν / [ 1 + γ (1 – cos θ ) ] dove γ = h ν / me c2

Interazione dei gamma La sezione d’urto Compton è data dal contributo di 2 termini. La sezione d’urto per effetto Compton prevale a energie intermedie e decresce all’aumentare dell’energia del fotone.

Interazione dei gamma T(e+) + T(e-) = hν – 2 mc 2 Nel processo di creazione di coppie viene creata una coppia elettrone-positrone, con energia pari a T(e+) + T(e-) = hν – 2 mc 2 La sezione d’urto per il processo di creazione di coppie è proporzionale a Z2 e cresce con l’energia.

Interazione dei gamma Sezione d’urto per creazione di coppie per il Piombo, in funzione dell’energia del fotone.

Interazione dei gamma Sommario: A bassa energia (dell’ordine del MeV), i fotoni interagiscono in prevalenza mediante effetto fotoelettrico All’aumentare dell’energia (1-10 MeV) tende a prevalere l’effetto Compton, che produce elettrone e fotone diffuso Ad alte energie (>10 MeV) il processo prevalente è quello della produzione di coppie elettrone-positrone. Come interagiscono poi i prodotti secondari di questi processi (elettroni, positroni, fotoni) ? A loro volta, se hanno energia sufficiente, gli elettroni/positroni per radiazione di frenamento e i fotoni per produzione di coppie..

Interazione dei gamma Si produrrà in definitiva una CASCATA ELETTROMAGNETICA