Процесс образования электрон-позитронных пар.

Если энергия фотона превосходит примерно удвоенную энергию массы покоя электрона  где m и М - масса электрона и ядра), то фотон может быть полностью поглощен в кулоновском поле ядра с образованием пары электрон-позитрон. Так как масса атома много больше массы образующихся частиц, то в случае образования электрон-позитронной парыбаланс энергии имеет следующий вид (закон сохранения энергии):

                 E_γ ^/= 2mc² + E_e- + E_e+     (3.31)

где Е_е- и E_e+ - кинетические энергии электрона и позитрона. Таким образом, энергия первичного фотона преобразуется в кинетическую энергию электрона и позитрона и в энергию аннигиляции 2mc².

Пара электрон-позитрон может образоваться и в поле электрона; этот процесс значительно менее вероятен, наблюдается для фотонов с энергиями выше 4  и при нем образуются в итоге 3 легких частицы: 2 электрона и позитрон. Наличие ядра или электрона является обязательным в процессе образования электрон-позитронной пары, так как только при этих условиях выполняются законы сохранения энергии и импульса.

  Эффективное микроскопическое поперечное сечение процесса образования электрон-позитронных пар в поле ядра при энергиях фотонов выше хорошо описывается формулой Бете-Гайтлера:

     κ = r_е²                   (3.32)

т.е. пропорционально квадрату атомного номера ядра и логарифму энергии фотона. При энергиях фотонов выше 40 МэВ рост сечения замедляется, приближаясь к постоянному, особенно для тяжелых ядер за счет экранировки поля ядра атомными электронами. 

Образующиеся электрон и позитрон испускаются преимущественно в направлении налетающего фотона в пределах угла 0,511/Е^/_γ.

Для оценки энергии, которая в процессе образования пар переходит в кинетическую энергию образующихся электрона и позитрона, по аналогии с фотоэффектом и комптоновским рассеянием можно ввести сечение образования пар, характеризующее передачу энергии фотона образующейся паре:

               _аκ=κ (Е_γ ^/ - 2mc²)/ Е_γ^/                                              (3.33).

Образующийся при образовании пар позитрон нестабилен в присутствии свободных электронов среды и практически мгновенно, сталкиваясь с электроном, аннигилирует, образуя 2 фотона с энергией 0,511 МэВ. Таким образом, образуется вторичное фотонное излучение, которое необходимо учитывать при проектировании защиты и оценке радиационной безопасности высокоэнергетичного фотонного излучения.