Взаимодействие заряженных частиц со средой

Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Взаимодействие частиц зависит от таких характеристик вещества как плотность, атомный номер вещества, средний ионизационный потенциал вещества. Каждое взаимодействие приводит к потере энергии частицей и изменению траектории её движения. В случае пучка заряженных частиц с кинетической энергией Е проходящих слой вещества их энергия уменьшается по мере прохождения вещества, разброс энергий увеличивается. Пучок расширяется за счет многократного рассеяния.

Тяжелые заряженные частицы ( протон, альфа-частица, мезон и др) взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью , неподвижному электрону, равна: . Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь . Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка , к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед ее остановкой в веществе. Если пролетающая через вещество частица имеет энергию большую, чем энергия связи электрона в атоме, удельные ионизационные потери энергии для тяжелых заряженных частиц описываются формулой Бете – Блоха:

Где - масса электрона, c – скорость света, v – скорость частицы, , Z – заряд частицы в единицах заряда позитрона, n – плотность электрона в веществе, – средний ионизационный потенциал атомов вещества среды, через которую проходит частица. Удельные потери энергии пропорциональны числу электронов вещества и квадрату заряда частицы теряющей энергию на ионизацию. Удельные потери энергии не зависят от массы проходящей через вещество частицы (при условии ) но существенно зависят от скорости частицы. Для определенной среды и частицы с данным зарядом величина является функцией только кинетической энергии: . Проинтегрировав это выражение по всем значениям от 0 до , можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь , который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии: . Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки.

 

Взаимодействие гамма квантов с веществом. При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 МэВ наиболее существенными процессами являются фотоэффект, эффект Комптона и образование злектрон-позитронных пар. При энергии гамма-квантов больше 10 МэВ превышается порог фотоядерных реакций и в результате взаимодействия фотонов с ядрами становятся возможны реакции типа (,р), (,n), (,a). Сечения фотоядерных реакций в области энергий до 100 МэВ составляют 1% полного сечения взаимодействия гамма-квантов с атомом. При фотоэффекте фотон поглощается атомом и высвобождается электрон: , где - энергия первичного фотона, - энергия связи электрона в атоме, - кинетическая энергия вылетевшего электрона. После вылета фотоэлектрона в атомной оболочке образуется вакансия. Переход менее связанных электронов на вакантные уровни сопровождается выделением энергии, которая может передаваться одному из электронов верхних оболочек атома, что приводит к его вылету из атома. В случае эффекта Комптона, часть энергии γ-кванта преобразуется в кинетическую энергию электронов отдачи, а часть энергии уносит рассеянный фотон. Вероятность рассеяния γ-квантов в случае эффекта Комптона зависит от плотности атомных электронов . C увеличением энергии число рассеянных γ-квантов уменьшается. Таким образом взаимодействия первичного фотона с веществом часть энергии преобразуется в кинетические энергии электронов и позитронов, а часть в энергию вторичного фотонного излучения.