当入射γ光子能量超过1.02MeV时,产生电子对效应。形成电子对作用就是光子完全被吸收,产生一对粒子,电子和正电子。且随着γ光子能量的增加逐渐成为主要的作用形式。
γ光子在核库仑场中完全被吸收,转化成一对正负电子,如图2-9所示。电子对的动能为
E=hν－2m0c2=hν－1.02MeV (2-11)
图2-9 γ射线形成电子对效应示意图
形成电子对的逆过程就是正电子的湮没。正电子与负电子不同,它很不稳定,只在极短时间内存在自由状态(约为10－7～10－10s)。正电子在物质中由于电离损失能量之后,将与物质中的束缚电子发生作用,正电子消失,辐射出两个能量为0.51MeV的γ光子,这就是正电子湮没和湮没辐射。
形成电子对效应包括正负电子对的生成和湮没两个过程。
由式(2-11)可知,只有当入射光子能量hν＞1.02MeV时,才可能有电子对的形成。形成电子对的几率与作用物质原子序数平方成正比,还与γ光子能量成正比。若形成电子对的原子截面(原子衰减系数)用Ka表示,则有
Ka∝Z2hν
所以不论在什么情况下,形成电子对的几率和物质原子序数平方成正比。
对于天然放射性核素放出的γ射线能量范围内,形成电子对的几率是很小的。在轻物质如岩石、铝介质中形成电子对衰减系数(K)接近于零；在重物质如铅中形成电子对衰减系数也仅占0～15%。
由以上分析可知,天然放射性核素放出的γ射线与物质作用的三种主要形式为：光电效应、康-吴散射和形成电子对效应。由于上述三种作用的结果,γ射线通过物质会发生衰减(吸收),其总衰减系数应为三者之和：
μ=τ+σ+K=τ+σa+σs+K (2-12)
式中：μ——总衰减系数；
τ——光电吸收系数；
σ——康普顿衰减系数；
K——形成电子对吸收系数；
σa,σs——康普顿真吸收系数和真散射系数。
随着入射γ光子能量的变化,三种效应所占比例是不相同的。一般说来,低能量以光电效应为主,中等能量以康-吴散射为主,而高能量以形成电子对效应为主。对原子序数(Z)较小的铝,在0.3～3MeV范围内,作用形式主要是康-吴散射。又由于岩石的有效原子序数(Z有效)与铝接近,所以天然放射性核素放出的γ射线与岩石作用的主要形式为康-吴散射。
表2-3 不同介质中各种效应相对为主的能量(MeV)范围
表2-3中列出了Al、Cu、Pb三种介质中,各种效应相对为主的能量范围,由此可以看出,对中等能量的γ射线而言,在轻物质(Z小)与重物质(Z大)中,康-吴散射都是主要的；对低能量的γ射线和重物质而言,光电效应是主要的；对高能量γ射线和重物质而言,电子对效应是主要形式。
由以上讨论可以看出,γ射线本身不像α与β粒子那样会使物质电离,但是由于γ射线与物质作用产生光电效应、康-吴散射和形成电子对效应的结果,产生了光电子、反冲电子和正负电子对,这些电子统称为次级电子。而这些次级电子能使物质电离和激发。探测γ射线实际上是探测这些次级电子在物质中的电离和激发,无论是计数管,还是闪烁晶体都是如此。在γ能谱测量中,还通过次级电子能量来反映γ射线的能量。为了分析γ能谱仪测得的能谱,了解γ射线与物质作用的过程中次级电子能量的分布是非常重要的。