Материал: l_02
Взаимодействие
Взаимодействие
частиц
частиц
с
с
веществом
веществом
Для
анализа
результатов
различных
экспериментов
,
важно
знать
какие
процессы
происходят
при
взаимодействии
частицы
с
веществом
мишени
.
Регистрация
частиц
также
происходит
в
результате
их
взаимодействия
с
веществом
детектора
.
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
за
счет
вторичных
заряженных
частиц
.
В
случае
гамма
-
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
.
В
случае
пучка
заряженных
частиц
с
кинетической
энергией
Е
,
проходящих
слой
вещества
их
энергия
уменьшается
по
мере
прохождения
вещества
.
Взаимодействие
Взаимодействие
частиц
частиц
с
с
веществом
веществом
Тяжёлая
нерелятивистская
заряженная
частица
с
зарядом
Ze
и
скоростью
v
пролетает
вдоль
оси
x
на
расстоянии
ρ
от
электрона
.
Сила
взаимодействия
в
момент
наибольшего
сближения
частиц
2
2
/
F
Ze
ρ
=
.
Время
взаимодействия
~ 2 /
t
v
ρ
Δ ≈
.
Переданный
электрону
импульс
2
2
/
p
F t
Ze
v
ρ
Δ ≈ Δ =
.
Переданная
энергия
2
2 4
2
2
(
) / 2
2
/
e
e
E
p
m
Z e
m v
ρ
Δ ≈ Δ
=
n
–
число
электронов
в
единице
объёма
.
Число
электронов
в
элементе
объёма
2
N
nd dx
πρ
ρ
Δ =
.
Суммарная
энергия
,
переданная
электронам
,
2 4
2
4
e
nZ e d
dE
E N
dx
m v
π
ρ
ρ
= Δ Δ =
.
Величина
удельных
ионизационных
потерь
2 4
макс
2
мин
4
ln
e
dE
nZ e
dx
m v
ρ
π
ρ
=
Ионизационные
Ионизационные
потери
потери
энергии
энергии
заряженной
заряженной
частицей
частицей
Тяжёлые
заряженные
частицы
взаимодействуют
с
электронами
атомных
оболочек
,
вызывая
ионизацию
атомов
.
Проходя
через
вещество
,
заряженная
частица
совершает
десятки
тысяч
соударений
,
постепенно
теряя
энергию
.
Тормозная
способность
вещества
характеризуется
величиной
удельных
ионизационных
потерь
энергии
dE/dx
.
Удельные
ионизационные
потери
энергии
представляют
собой
отношение
энергии
E
заряженной
частицы
,
теряемой
на
ионизацию
среды
при
прохождении
отрезка
x
,
к
длине
этого
отрезка
.
Удельные
ионизационные
потери
энергии
увеличиваются
с
уменьшением
энергии
частицы
.
Удельные
Удельные
ионизационные
ионизационные
потери
потери
энергии
энергии
заряженной
заряженной
частицей
частицей
2
2
2
2
2
2
2
0
2
2
4
ln
ln(1
)
e
e
m c
dE
Z
nr m c
dx
I
β
π
β
β
β
⎡
⎤
⎛
⎞
= −
−
−
−
⎢
⎥
⎜
⎟
⎝
⎠
⎣
⎦
Удельные
Удельные
ионизационные
ионизационные
потери
потери
энергии
энергии
заряженной
заряженной
частицей
частицей
e
m
—
масса
электрона
(
2
511
e
m c
=
кэВ
—
энергия
покоя
электрона
);
c
—
скорость
света
;
v
—
скорость
частицы
;
/
v c
β
=
;
Z
—
заряд
частицы
в
единицах
заряда
позитрона
;
n
—
плотность
электронов
вещества
;
I
—
средний
ионизационный
потенциал
атомов
вещества
,
через
которое
проходит
частица
;
13,5
I
Z
′
=
эВ
;
Z
′
—
заряд
ядер
вещества
в
единицах
заряда
позитрона
;
2
2
13
0
/
2,8 10
e
r
e m c
−
=
=
⋅
см
—
классический
радиус
электрона
.