Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новое явление — радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок — позволила заглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Перед исслелователями, которые работали в этой области в ХХ веке, открылся совершенно иной мир, со своими закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемый классической физикой. Оказалось, что установленные новые законы физики частиц работают не только на очень малых расстояниях, но и определяют физические явления, происходяшие в колоссальных масштабах Вселенной. Двадцатый век принес много неожиданностей, и врал ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век двадцать первый. Наше сеголняшнее понимание окружаюшего мира сформировалось в результате планомерных исследований и неожиданных открытий большого числа ученых.
Трудно упомянуть всех, кто оказал решаюшее влияние на развитие физики ядра и частиц. Для того чтобы частично восполнить этот недостаток, в Приложениях 1Ч и Ч дана хронология основных событий в физике ядра и частиц, а также приведены списки лауреатов Нобелевской премии по физике и частично по химии. зз зак. 39 Приложения 1. Взаимодействие частиц с веществом для анализа результатов различных зкспериментоа важно знать, какие процессы происходят при взаимодействии частицы с аешестяом мишени.
регистрация частиц также происходит а результате их взаимодействия с аешестиом детектора. Взаимолейсгаие частиц с аешестлом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизуют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами ь эещестье, перелают им свою энергию, вызывая нонизацию за счет вторичных заряженных частиц. В случае гамма-квантов основными процессами, приаоляшими к образоаанию заряженных частиц, являются вютоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар.
Взаимолействие частиц с лешестаом зависит от таких характеристик аешестаа, как его плотность, атомный номер аешестаа, средний ионизационный потенциал аешестаа. Каждое азаимодейстаие приводит к потере энергии частицей и к изменению траектории ее ллижения. В случае пучка заряженных частиц с кинетической энергией В, проходящих слой вещества, их энергия уменьшается помере прохождения аешестаа, разброс энергиЯ частиц пучка уаеличиаается. Пучок расширяется эа счет многократного рассеяния.
Ме.кду проходящей в среде частицей и частицами аешестаа (электронами, атомными ядрами) могут происходить различные реакции. Как правило, их вероятность заметно меньше, чем вероятность ионизации. Однако реакции важны а тех случаях, когда азаимолейстауюшая с аешестаом частица является нейтральной. Например, нейтрино можно зарегнстрироаать по их лзаимолейстаию с электронами аешестаа детектора или я результате их взаимодействия с нуклонами ядра. Нейтроны регистрируются по протонам отдачи или по ядерным реакциям, которые они вызывают. Взаимодействие тизгселмк заризгсеиибгх частиц с веществом Удельные потери энергии заршкеииой частицей.
Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главнь1м образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Проходя через яешество, заряженная частица совершает лесятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность аешестаа может быль охарактеризована аеличиной удельных потерь эиергии г(8/гЫ, где лŠ— энергия, теряемая частицей в слое аешестаа толщиной яя. Если энергия заряженной частицы теряется на ионизацию среды, то говорят об удельных нонизационных потерях. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы (рис, К!) н особенно резко перел остановкой а иешестае (пик Брэгга).
523 1. Взаимодействие частиц с веществом 007 * о,оо . О,оо ~~ 0,04 Х Оог н О „о,ог 2 ы 0,01 0 ГО Е РО ' Г йо Оа ГОа ГО' Энеазия чаенииы, Ьяэй Рнс. 1.1. Зависимость удельной потери энергии в воздухе от энергии частицы для нескольких типов частиц Элементарные оценки потерь энергии заряженной частицей. Рассмотрим тяжелую нерелятивнстскую заряженную частицу с зарядом Яе и скоростью е, пролетаюшую вдоль оси х на расстоянии р от электрона (рис. 1.2). Максимальная сила взаимодействия в момент наибольшего сближения частиц равна с = Яез/р'. Если время взаимодействия взять приближенно равным сге гв 2р/в, то переданный электрону импульс равен 2Яез ЬР=Р01= —, ре е, гп, Рнс.!.2. Тяжелая нерелятивистская заряженная частица с зарядом Яе и скоростью в пролетает вдоль оси х на расстоянии р от электрона 33* 524 Приложения а переданная еиу энергия (2ьр)' 2Еэе' ЬЕ 2щ, т, е'р' (пг, — масса электрона).
В элементе обьема гй' солержится число электронов бгг( =-, аг, глс и, — плотность электронов. Так как А' = 2гг.пр Нх, то суммарная энергия г(Е, переданная этим электронам частицей, дается выраже- нием лггп,, К'ег г(р г(Е = ЬЕ г()'тг =. — - ', — ггх. пг„вт р Интегрируя по р от р„„„ло р„„, получим величину улельных ианнзационных потерь р ~а» (В! ) гоев р При рч„„, -ь оо и р„„„б интеграл расходится. Реально величина р„„„, ограничена тем, «то при больших р и малых Е атомный электрон уже не может рассматриваться как своболный, так как энергия взаимолействия будет сравнима с потенциалом ионизации. Ограничение на ни:кний предет интегрирования р„„ь связано с тем, что электрону тяжелой нерелятивнстской заряженной часттгцей может быть передана максимазьггая энергия 2 Пробег зарюкеивой частицы.
Для опрелеленной срелы и частицы с данным зарялом В величина г(Е/г(л является функцией только ее кинетической энергии Е: йŠ— = уг(Е), Их Проинтегрировав это выражение по всем значениям Е от 0 до начальной энергии частицы Ею можно получить полный путь Я, который заряженная частица прохолит до остановки: вь (1.2) а Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения Вследствие этого пробеги тяжелых частиц измеряют расстоянием по прямой от точки входа частиц в среду до точки их остановки.
Обычно пробег измеряется в единицах ллины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность ве~ггестаа (г/смз). Зависимость интенсивности 1 частиц, проходяших через елнницу плошади в елиницу времени, от пройденного расстояния я лля первоначально моноэнергетичного параллельного пучка а-частиц показана на рис.!.3. Пробеги а-частиц имеют разброс значений, описываемый функцией Гаусса. Он обусловлен, в частности, статистическими флуктуациями иоцизационных потерь. гкльфа-настина, проходя через среду, ьгожет испытывать перезарядку, превращаясь в однозарядный ион гелия 4Неь или атом гелия 'Не.
В силу статистических флуктуаций пробег тяжелой частицы определяется как расстояние, на котором 1. Взаимодейсщвае чаонац с вешеппвом Рис. 1.3. Зависимость изменения интенсивности / первоначально моноэнергетичных альфа-частиц от пути х, пройденного ими в веществе; Š— пробег частиц, определяемый как расстояние, на котором интенсивность пучка частиц составляет половину начальной; Еэ — экстраполированнь|й пробег, определяемый как расстояние, на котором прямая, аппроксимирующая срелний участок спзла кривой интенсивности, пересекзет ось х 0,5 Ъдельиые ионизационные потери энерпе дая твкелых заряженных гастнц при энергиях Е (( (ЗХс)'/гв, Точный расчет дает при Е <( ще (Е и М вЂ” кинетическая энергия и масса частицы): ( — ) = — п,гааз,с ~1п ( — ) — !и (! — /з ) — р 1, где глг — масса электрона (гл,с' = 51! кэ — энергия покоя электрона); с— скоросп света; )3 = в/с; в — скорость частицы; Я вЂ” заряд частицы в единицах заряда позитрона; и, — плотность электронов вещества; Х вЂ” средний ионизационный потенпиат атомов вещества среды, через которую проходит частица: / = 13,5 В' эВ, где Я' — заряд ядер вещества среды в елиницах заряда позитрона; га — — е'/пз,с' = 2,818.
10 " см — классический 1мдиус электрона. Пробеги ааь4а-частиц н протонов в некоторых средах приведены в табл.!.1 и 1.2. Таблица 1.1 Пробег а-частиц в различных веществах в зависимосзн от энергии Е, интенсивность пучка частиц составляет половину от начальной интенсивности. Кроче того, вводится понягне экстраполированного пробега, который опрелеляется как расстояние, на котором прямая, аппроксимирующая средний участок спада кривой интенсивности, пересекает ось л (рис.1.3). 526 герилолгенил Таблица 1.2 Пробег протонов в алюминии в зависилюсти от их энергии Кр Многократное рассеяние. Заряженная частица, движущаяся в веществе, испытывает большое число столкновений, приводящих к изменению направления ее лвижения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
