2.1.8 γ線と物質との相互作用

 γ線(光子)は電磁波で、波としても作用するが、γ線やX線ではエネルギーが高いので、粒子としての作用が顕著である。γ線と物質との相互作用を巨視的なスケールで見ると模式的には図2.1.8-1のようになる。平板状の物質に垂直に入射した光子は、一部は吸収され、また一部は散乱され方向とエネルギーが変化する。散乱や吸収は複合的に生ずるために、物質内での光子の分布は、エネルギー、方向ともにさまざまである。このような状況で、物質に対する、光子の性質を単純に表す指標の一つは、光子がその物質中を全く相互作用を起こさずに通過できる確率である。

図2.1.8-1 巨視的に見た光子と物質との相互作用

 図2.1.8-2に仮想的に示したのは、物質中の厚さdxの薄い層を通過する光子である。層は薄いために、光子は内部で2回以上の散乱をしない。N個の光子がこの層に入射したとする。厚さdxの層内で、そのうちのいくつかの光子が何らかの相互作用を起こし、N′個の光子がそのまま通過したとする。相互作用を起こした光子数、N′-N(=-dN)は、層の厚さdxと入射した光子数に比例する。

−dN=μNdx (2.5)

ここでμは線減衰係数とよばれる比例定数で、相互作用しやすさの指標である。

図2.1.8-2 薄い層における光子の減衰

 始めに平板に入射した光子数をN0として次式が得られる。

N=N0−μx (2.6)

 相互作用を経験していない光子数は指数関数的に減衰する。μは物質と光子のエネルギーよって変化する。線減衰係数μを物質の密度ρで割った値μ(=μ/ρ)は質量減衰係数とよばれる。
 μの原子番号Z依存性は、低エネルギー光子に対しては、Z4と大きく鉛のように原子番号の大きな物質が遮へいに有効である。1MeVから3MeVの光子(60Coγ線が含まれる)ではあらゆる物質においてこのエネルギー領域の光子に対する質量減衰係数は、物質にほとんど依存しない。