Interactiunea dintre particulele si substanta

Interactiunea dintre particulele si substanta

Pierderile de energie ale electronilor care se misca in substanta pot fi impartite in pierderi prin ionizare si pierderi radiative.

Dependenta de energie a pierderilor ionizarii specifice pentru electroni este aceeasi ca si pentru particulele grele incarcate (vezi figura 3.2). Curba care arata pierderea energiei scade odata cu cresterea vitezei, implicit a energiei cinetice care reprezinta dublul energiei de repaus a electronului, apoi creste incet.    

Electroni, mezoni, mezoni, protoni, deuteron,  particule

dE/dx,MeV/cm

Energia particulei (MeV)

Fig. 3.2 Dependenta pierderii de energie specifica [in aer]

Pierderile energiei radiative sunt rezultatul acceleratiilor au loc in substanta ca rezultat al interactiei unei particule libere incarcate in campul electric al nucleului. Ajungand in apropierea nucleului particula este deviata de forta coulombiana = ma. Orice sarcina libera in miscare cu acceleratia a emite fotoni a caror energie totala este proportionala cu patratul acceleratiilor. Din a² = F²/m², astfel ca a² = 1/m², pierderile radiative a particulelor greu incarcate vor fi mai scazute decat cele ale particulelor usor incarcate (electroni sau pozitroni). Astfel pierderile radiative ale electronilor depasesc pe cele ale protonilor supuse aceleasi forte de ori. Pierderile radiative ale particulelor grele sunt nesemnificative in comparatie cu pierderile prin ionizare la energii ale particulei foarte mari si de obicei nu sunt luate in consideratie. Cu toate acestea, pierderile radiative ale particulelor usoare pot fi apreciabile, in particular la trecerea prin substante cu numarul atomic Z mare.

Radiatia emisa ca rezultat al pierderilor radiative se numeste radiatie de franare. Aceasta este radiatia produsa de franarea particulelor incarcate in campul electric al nucleului. Radiatia de franare este de asemenea emisa de electronii in miscare pe orbite circulare in acceleratoarele de electroni (betatron). Radiatia in aceste cazuri este numita radiatie betatron.

Pierderile radiative specifice E_r sunt proportionale cu energia electronului E_e sI patratul numarului atomic in mediu:

Pierderile prin ionizare ale electronilor E_i predomina la energii reduse. Cu cresterea energiei cinetice contributia relativa a pierderilor prin ionizare la pierdere totala de energie se diminueaza. Daca E_i ~Z, raportul dintre pierderea radiativa specifica sI cea prin ionizare, k, este proportional cu ZE_e,

k = 1.25 x 10 ZE_e

unde E_e este exprimata in mega-electronivolti.

Energia electronului pentru care E_i = E_r (k = 1) este numita energie critica. Pentru fier (Z = 26) energia critica este de 31 MeV si pentru plumb ( Z = 82) este aproximativ 9.8 MeV. Pierderile energiei critice radiative preceda pierderile ionizarii. Radiatia de franare cu frecventa in domeniul razelor X este obtinuta in special in tuburile de raze X cu viteza mare si anticatod. Acestea sunt folosite in medicina pentru diagnosticul bolilor. Electronii din tuburi sunt accelerati pana la 30 - 100 KeV (1KeV=10³eV) si apoi stopati in anticatod. Razele X emise la franarea electronilor poseda un spectru continuu.

Masa electronului este cu mult mai mica decat a particulelor grele ceea ce determina caracterul miscarilor in materie. Electronii sunt puternic deviati la ciocnirea cu electronii atomici sau cu nucleii. Acestia nu se misca de-a lungul liniei drepte cum se intampla cu particulele grele care au o traiectorie sinuoasa. Lungimea traiectoriei totale a electronilor este mai mare decat cea a particulelor greu incarcate. Oricum de interes practic este parcursul efectiv al electronului. Aceasta este grosimea stratului de materie care stopeaza complet electronul. Parcursul efectiv masic al electronului R_me in aluminiu poate fi determiniat cu ajutorul formulei empirice:

, pentru MeV (3.5)

, pentru MeV

unde R_me este dat in Kg/m² si E_e este energia maxima a particulelor sau energia electronilor monoenergetici in MeV. Formula de mai sus poate fi utilizata cu o precizie de 10% pentru estimarea lui R_me in aer si fier.

Energia cuantelor γ este mai mare de 0.1 MeV iar lungimea de unda este mai mica decat 10^-10 m. Daca negijam reactiile fotonucleare, principalele moduri de interactiune cu substanta sunt: efectul fotoelectric, efectul Compton si generarea de perechi.