1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 61
Текст из файла (страница 61)
ХЧП1). В соответствии с совре.менной моделью сильного взаимодействия — квантовой хромодинамикой — как ядерные силы, так и более широкое сильное адронное взаимодействие являются некоторым внешним проявлением гораздо более мощного истинно сильного (назовем его так во избежание путаницы) 300 Глава з'У.
Взаимодействие частиц и излучеиил с веществом взаимодействия между к варками, из которых состоят все адроны. Представление о квантовой хромодинамике, кварках и квантах истинно сильного взаимодействия — глюонах будет дано в гл. ХХ1, а в настоящей главе сохраним старую феноменологию сильного адронного взаимодействия, квантами которого являются к-мезоны. Сильное взаимодействие — наиболее интенсивное взаимодействие в природе, отсюда и его название. Оно может проявляться в форме процессов как непосредственного взаимодействия (рассеяние на ядерных силах, ядерные реакции, т. е. захват одних частиц с образованием других), так и распада (распад резонансов).
Сильные процессы непосредственного взаимодействия характеризуются очень большими сечениями (1О "— 10 '4 см'), а процессы распада — очень малыми временами (10 зз — 10 з' с). Большие сечения для процессов сильного взаимодействия приводят к тому, что сильно взаимодействующие (ядерно- активные) частицы — адроны — при прохождении через среду эффективно выбывают из коллимированного пучка в результате процессов поглощения и рассеяния. Электромагнитное взаимодействие тоже относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно и слабее ядерного (что следует из существования стабильных ядер, содержащих одноименно заряженные протоны).
Переносчиками этого взаимодействия являются кванты электромагнитного излучения, которые в зависимости от их происхождения и энергии называются фотонами, рентгеновским излучением или у-квантами, а также радиоволнами. Кванты электромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем.
Известно много форм проявлени» электромагнитного взаимодействия: для заряженных частиц — кулоновское рассеяние, ионизационное торможение, радиационное торможение, излучение Вавилова — Черенкова„синхротронное и переходное излучения; для у-квантов — фотоэффект„эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар, у-переходы в ядрах, фотоядерные реакции; для нейтронов — поляризация при прохождении через ферромагнетик и отражении от кобальтового зеркала, магнитное удержание ультрахолодных нейтронов и др. Оценка интенсивности электромагнитного взаимодействия показывает, что оно в 10' — 10' раз слабее сильного (в пределах радиуса действия последнего).
Соответственно процессы электромагнитного распада протекают, по крайней мере, в 10' — 10' раз медленнее сильных процессов и характеризуются периодами полураспада Тпз>10 ' с. З" 22. Общая характеристика взаимадвяппвия 301 При прохождении заряженных частиц и у-квантов через вещество наблюдаются большие потери энергии на электромагнитное взаимодействие. Примером слабого взаимодействия является рассмотренный в гл. П1 р-распад. р-Распад — это специфическое взаимодействие между нуклонами и окружающим их электрон-нейтронным полем, в процессе которого возникают или поглощаются электроны (позитроны) и антинейтрнно (нейтрино). Как было показано, р-распад характеризуется чрезвычайно малой константой взаимодействия я, отсюда н его название — слабое взаимодействие. Кроме 11-распада примерно такой же константой характеризуются и другие процессы слабого взаимодействия: (я— )г)-распад, ()1 †)-распад, распады К-мезонов и гиперонов (см.
гл. Х1Х). Слабые взаимодействия примерно в 10гз раз слабее сильных. В соответствии с этим процессы распада для слабых взаимодействий происходят в 10 ' раз медленнее, чем для сильных, т. е. за время т порядка 10 " — 10 'о с*. Однако с процессами распада, происходящими из-за слабого взаимодействия, надо считаться в тех случаях, когда частицы проходят большой путь до детектора, так как даже при скорости пиес частица, имеющая время жизни 7=10 'о с, может пройти, не распавшись, путь не более 1Π— 100 ем.
Кроме процессов распада слабое взаимодействие может проявляться и в процессах непосредственного взаимодействия, например в процессе захвата нейтрино (антинейтрино) нуклоном. Однако сечение таких прямых процессов слабого взаимодействия настолько мало (около 10 ' см' при Е„ю1 МэВ), что при прохождении частиц через вещество с ними, как правило, можно не считаться. Большое разнообразие перечисленных процессов не позволяет рассматривать их в одном месте. Ниже достаточно подробно описаны основные виды взаимодействия со средой заряженных часпщ (ионизационное торможение, упругое рассеяние, тормозное, черенковское и переходное излучения) и у-квантов (фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар), синхротронное излучение электронов в вакууме (в- магнитном поле), а также кратко охарактеризовано взаимодействие со средой нейтронов.
Подробно взаимодействие нейтронов со средой (в том числе ядерные реакции под действием нейтронов) рассмотрено в В 1977 г. быя открыт т-яептон, время низин которого т,гв3.10 'з с (см. 6 107). Время низин такого ие порядка имеют очарованные частицы (см. 1 125). 302 Глава Лс. Взаивсодействие частиц и излучения с вегцегтвот во второй части книги. Там же разобраны ядерные реакции под действием заряженных частиц и Т-квантов. Наконец в ч.
Ш и ГЧ рассмотрены некоторые вопросы рассеяния протонов, нейтронов и электронов, особенности взаимодействия со средой нейтрино (и антинейтрино), мюонов, к- и К-мезонов, гиперонов, антинуклонов, антигиперонов, резонансов и др. 9 23. Ионизационное торможение заряженных частиц 1.
ФОРМУЛА БОРА ДЛЯ УДЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ. УЧЕТ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭФФЕКТОВ И ЭФФЕКТА ПЛОТНОСТИ Ионизационное торможение является главным механизмом потерь энергии при прохождении тяжелой заряженной частицы через вешество. В этом механизме кинетическая энергия заряженной частицы тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды, через которую она проходит. Спрашивается, от чего зависят ионизационные потери и каков ионизационный пробег частицы, на котором она теряет всю свою энергию? Для ответа на эти вопросы рассмотрим сначала элементарную схему взаимодействия заряженной частицы с одним электроном, а затем просуммируем эффект для электронов, мимо которых пролетает частица.
Пусть частица с зарядом ге пролетает со скоростью р на расстоянии р от свободного (несвязанного) электрона с массой т, и зарядом — е (рис. 142,а). Тогда в предположении, что масса частицы М ~ нз„взаимодействие ее с электроном приведет к тому, что последний получит импульс в направлении, перпендикулярном линии полета частицы*: ~р,=(Р,й. (23. 1) Здесь ~Г„с(у — импульс силы за время взаимодействия. Считая, что взаимодействие эффективно на участке пути, сравнимом с р, например равном 2р, который частица проходит за время сзг= 2 ран и на котором кулоновская сила примерно равна гез/рз, получаем** сзр, =2гезЯрр). (23.2) в Слагающая импульса в направлении движения частицы равна нулю, так как она состоит из двух равных составляющих с разными знаками (соотвстствуюгцих приближению частиц к электрону и улалению от него). ** Точно такой же результат получается и при более строгом рассмотрении с учетом бесконечно большого ралиуса лействия кулоновских сил.
23. Ионизационное тор.иожение зарнженнын частиц 303 у а1е !р ае ек а Рис. м2 (23.4) а на единице длины й =(":;: ')('-:) (23.5) Очевидно, что этот результат справедлив, если взаимодействие частицы с данным электроном не зависит от наличия по соседству других электронов. На самом деле это не вполне так, поэтому в окончательный результат надо внести поправку на эффект плотности (см. ниже). Полная удельная потеря получится, если проинтегрировать с1 "з' — (р) по всем возможным значениям параметра удара Ых р(0 — ж). При этом возникают затруднения для р=0, так как р стоит в знаменателе выражения (23.5), и для р=ос из-за ГФ расходимости интеграла Р о Кинетическая энергия, соответствующая этому импульсу, равна: оТ=Ар~~~(2лз )=[2хзеа~(лз аз)~(1~рз) (23.3) Такую энергию приобретает электрон, если мимо него на расстоянии р проходит заряженная частица с зарядом хе, двигающаяся со скоростью р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
