Лекция 19. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом

Основные понятия и определения.

К тяжелым заряженным частицам (масса которых много больше массы электрона) относятся протоны, ачастицы, более тяжелые ионы, осколки деления, мюоны, заряженные пионы и т. д. При прохождении через вещество тяжелых заряженных частиц возможно их упругое и неупругое рассеяние на ядрах, а также ядерные реакции. Однако главным механизмом взаимодействия является ионизационное торможение, при котором энергия частицы расходуется либо на выбивание электрона из оболочки атома (ионизация), либо на перевод электрона с одного энергетического уровня на другой (возбуждение). Оба процесса происходят вследствие кулоновского взаимодействия заряженной частицы с атомными электронами. При этом часть атомных электронов приобретает значительную энергию (6- электроны) и вызывает вторичную ионизацию. На долю вторичной ионизации приходится 60−80% от полной ионизации, т. е. от общего числа образовавшихся ионов.

Путь, пройденный частицей в веществе до ее полного торможения, называется пробегом, а число пар ионов п_х, образовавшихся на единице длины пути, — удельной ионизацией. Потеря энергии частицей на единице пути называется удельной потерей энергии, или тормозной способностью вещества и обозначается как {— dE/dx). Величина.

характеризует среднюю энергию, затрачиваемую на образование одной пары ионов. Установлено, что величина W практически не зависит от вида и энергии заряженной частицы и составляет единицы эВ в плотных средах. Для газов эта величина значительно больше и примерно в 2−3 раза превышает величину первого потенциала ионизации. Так, для воздуха W = 33,85 эВ, а первые потенциалы ионизации молекул 0₂ и N₂ равны 12,07 и 15,58 эВ соответственно. Траектории движения заряженных частиц можно наблюдать в трековых детекторах (камерах Вильсона, пузырьковых или искровых камерах, ядерных фотоэмульсиях), регистрирующих удельную ионизацию.^[1] Образующиеся в результате ионизации вторичные электроны, тормозясь в веществе, также оставляют следы в трековой камере. Максимальная энергия, передаваемая электрону тяжелой частицей, движущейся со скоростью v_a, приблизительно равна 2 m_ev_a² (ПРИЛОЖЕНИЕ И). Пользуясь соотношением масс электрона и а-частицы, нетрудно показать, что для а-частиц с энергией порядка нескольких МэВ эта величина достигает нескольких кэВ. Поэтому вдоль следа быстрой тяжелой частицы, густо усеянного ионами, появляются отростки с малой удельной ионизацией, обусловленные 5-электронами. Экспериментальную информацию о прохождении заряженных частиц через вещество дают кривые Брэгга, показываю;

щие, как распределена удельная ионизация, производимая частицей, по траектории ее движения. Типичная кривая Брэгга для тяжелой частицы представлена на рис. 19.1. В начале движения, пока частица еще не потеряла своей скорости, удельная ионизация невелика и медленно и монотонно растет по мере замедления. К концу пробега удельная ионизация увеличивается до некоторого максимального значения, а затем довольно быстро спадает до нуля. Уменьшение.

Рис. 19.1. Кривая Брэгга тяжелой заряженной частицы.

удельной ионизации в конце пути связано с захватом электронов и многократной перезарядкой частиц. Так, например, а-частица (⁴Не²) в некоторых столкновениях захватывает атомный электрон и часть своего пути совершает уже в виде однозарядного иона ⁴Не⁺, для которого, как будет показано ниже, удельная ионизация примерно в четыре раза меньше. Однозарядный ион может потерять электрон, а может и захватить еще один электрон, превратившись в нейтральный атом ⁴Нс. Эффект перезарядки заметно возрастает при уменьшении скорости частицы и особенно важен для многозарядных осколочных ядер.

• [1] См. Лекцию 22.