Лекция №9

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

1.Взаимодействие тяжёлых заряженных частиц с веществом

2.Взаимодействие электронов с веществом

3.Взаимодействие мюонов с веществом

4.Использование пучков заряженных частиц

1

Введение

Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии.

Заряженные частицы ионизуют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами.

Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами в веществе, передают им свою энергию, вызывая ионизацию в результате образования вторичных заряженных частиц.

В случае γ-квантов основными процессами, приводящими к образованию заряженных частиц являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар.

Взаимодействие частиц с веществом зависит от таких характеристик вещества как его плотность, атомный номер и средний ионизационный потенциал вещества.

2

Взаимодействие тяжёлых заряженных частиц с веществом

Чем больше начальная кинетическая энергия ионов, тем большую роль в их взаимодействии с твердыми материалами играет потеря энергии на ионизацию и тем меньшую — стохастические взаимодействия с ядрами. В результате ионы с высокой энергией движутся практически по прямой, а ионы с низкой энергией — более хаотично.

4

Взаимодействие тяжёлых заряженных частиц с веществом

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов.

Из законов сохранения можно получить, что при столкновении с электроном массой m тяжелая частица массой М теряет кинетическую энергию

ΔТ = Т (4m/M),

что, например, для 5-МэВной альфа-частицы составляет 2,7 кэВ

https://www.youtube.com/watch?v=noP7HT-Uins

Треки (визуализированные траектории) альфа- частиц в газах

5

Удельные потери энергии заряженной частицей

Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь энергии

dE/dx,

где dE − энергия, теряемая частицей в слое вещества толщиной dx.

Зависимость удельной потери энергии в воздухе от энергии частицы для нескольких типов частиц

6

Кривая Брэгга

Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой частицы в веществе (пик Брэгга).

7

Ионизационные потери

В 1930 году Ганс Бете вывел формулу для расчёта удельных потерь энергии тяжёлой заряженной частицей в веществе:

Z, A, ρ - атомный номер, атомный вес, плотность среды

N0 – число Авогадро , m – масса электрона

8

Ионизационные потери

Ионизационные потери тяжёлых заряженных частиц в разных веществах в зависимости от импульса частицы βγ

9