Электромагнитное взаимодействие частиц с веществом

частиц
Физические процессы для гамма- квантов
Удельные ионизационные потери для

тяжелых частиц
График удельных ионизационных потерь энергии
Эффект плотности
Переход от единиц к единицам
Сопоставление ионизационных потерь для разных частиц
Удельные ионизационные потери энергии для электронов
Выводы

энергии налетающих частиц в зависимости, как от характеристик самих частиц

(энергия Т, скорость V, масса m, электрический заряд Z), так и от параметров среды, через которую они проходят (плотности ρ, массовое число А, заряд ядра Z, прозрачность для видимого света).
Такая детализация позволяет решать двуединую задачу:
эффективная регистрация падающего на вещество излучения;
оценка его проникающей способности с целью защиты от радиации.

Задача решается с учетом толщины мишени (2), на которую падает частица (1): если мишень тонкая (dx), то вычисляются удельные потери энергии (dE/dx), если толстая – рассматривается процесс во всем объеме (по толщине).

потери заряженных частиц):
Z1 + e → Z1 + e

2. Упругое рассеяние на ядрах (многократное рассеяние):
Z1 + Z → Z1 + Z
3. Тормозное излучение, которое характерно только для электронов:

4. Черенковское излучение, которое возникает в прозрачной среде, если заряженная частица движется быстрее, чем скорость света (v > c/n, где n – оптический показатель преломления) .
Частица на своем пути кратковременно поляризует молекулы среды, которые при деполяризации испускают видимый свет.

Взаимодействие γ-кванта с нейтральным атомом. При этом γ-квант поглощается, выбивая

из атома электрон:


Рождение электрон-позитронной пары, в электромагнитном поле ядра:

Образование каскадного ливня при попадании в вещество электрона или γ-кванта высокой энергии (больше критической). Последовательность процессов тормозного излучения и образования пар частиц в толстой мишени приводят к лавинообразному нарастанию числа вторичных частиц (е -, е+, γ) по глубине.

взаимодействия тяжелой частицы (М1, Z1) со свободным электроном ( Т1

>> I). Частица М1 пролетает мимо е на расстоянии ρ (прицельный параметр).

Разложим силы F1 и F2 на перпендикулярные и параллельные составляющие. Эффективно действуют только перпендикулярные составляющие сил. Упрощение: заменим переменную силу, которая действует на участке 2ρ, на силу в точке перпендикулярной

Время действия силы на участке равно

на толщине dx

Ионизационное торможение заряженных частиц
Получаем

тонком слое при фиксированной энергии Т1.
Минимум функции достигается при

или

1) - электрон связан. Энергия тратится на возбуждение атома.
2) . Здесь . Это обусловлено уменьшением эффективного времени столкновения с электронами .
3) – скорость V1 ≈ с, время столкновения мало меняется. Это приводит к минимуму dЕ/dx.
4) - начинают заметно действовать релятивистские эффекты. Вытягивание поперечного электрического поля налетающей частицы .
5) – начинается процесс экранирования поля частицы.

для трех разных частиц: π±-мезона, р+- протона и α++- частицы.

Кривые подобны, но смещены относительно друга, в зависимости от массы частиц и их зарядов.

С учетом эффекта
плотности

где δ – учитывает эффект плотности и имеет вид (при β → 1):
δ(β) = - ln(1 – β2) – 2ln(I/hνр) – 1, где νз – плазменная частота электронов.
Функция δ(β) компенсирует логарифмический рост dЕ/dx при высокой энергии. Практически, полное выполаживание функции dЕ/dx происходит при T1 ≈ 50 m1c2. Функция U(ß1) учитывает потери энергии на возбуждение атома.

столкновении с электронами среды в целом аналогичен процессу взаимодействия тяжелых

частиц. Особенности обусловлены малой массой налетающего электрона и обменными эффектами между тождественными частицами

Анализ этой формулы показывает, что в нерелятивистском пределе (β1<<1) при одинаковой скорости , удельные ионизационные потери протона и электрона отличаются незначительно.
Если их энергии будут одинаковы, то отношение удельных потерь в этой области будет сильно отличаться в отношении масс mр/mе.
В ультрарелятивистской области (T≈10 ГэВ) фактор зависимости от скорости (V1≈ c) пропадает, и ионизационные потери энергии выравниваются: (dЕ/dx)е/(dЕ/dx)р ≈ 2.

возбуждение и ионизацию атомов;

однократная передача энергии в среднем составляет

малую величину (десятки эВ);

удельные ионизационные потери (в тонком слое) зависят от заряда и скорости частицы ;

- на толщине 1
величина потерь энергии слабо зависит от характеристик вещества поглотителя (заряда, массового числа, плотности, потенциала ионизации атома - ).

Это относится к быстрым частицам, кинетическая энергия которых значительно превышает средний потенциал ионизации вещества.