3.5.1. Взаємодія важких заряджених частинок з речовиною

До важких частинок відносяться частинки, маси яких у сотні разів більші за масу електрона. При русі в речовині важкі заряджені частинки стикаються з електронами атомів і взаємодіють з ними завдяки взаємодії їх електричних полів. Зіткнення важких заряджених частинок з ядрами атомів досить рідке явище, тому що ядра займають в атомах відносно малий об'єм . Ядра мало впливають на гальмування важких заряджених частинок.

Розглянемо якісну взаємодію важкої частинки із зарядом , яка рухається із деякою швидкістю повз електрон (рис. 3.4.1). Якщо швидкість електрона набагато менша швидкості частинки, то електрон можна вважати нерухомим. При дії зарядженої частинки на нерухомий електрон виникає кулонівська сила:

, (3.5.1.1.)

де - відстань між зарядами (залежить від часу);

Ф/м - діелектрична проникність вакууму.

Кулонівська сила спрямована вздовж радіуса . Позитивно заряджена частинка притягує електрон і він починає рухатися у напрямку до частинки. Негативно заряджена частинка, навпаки, відштовхує електрон. Оскільки маса важкої частинки набагато більша маси електрона, то частинка після зіткнення з електроном майже не змінює напрямку свого руху.

Енергетичні втрати важкої зарядженої частинки на одне зіткнення з електроном оцінюють за формулою:

, (3.4.3.2)

де - найкоротша відстань електрона до траєкторії частинки (параметр зіткнення, рис.3.4.1).

Енергетичні втрати пропорційні квадрату заряду частинки. Із збільшенням швидкості час взаємодії частинки з електроном, а разом з ним і втрати енергії на одне зіткнення зменшуються. Енергетичні втрати не залежать від маси частинки, тому що під зіткненням частинки з електроном розуміють взаємодію їх електричних полів. Мінімальні не пружні втрати обмежуються енергією збудження електрона в атомі. Частинка може передати електрону лише порцію енергії, що дає можливість перевести його на один із збуджених рівнів атома. Внаслідок цього, починаючи з деякого параметру зіткнення , частинка взаємодіє не з окремим електроном, а з усім атомом. У цьому випадку відбувається пружне зіткнення частинки з атомом.

Максимальний параметр зіткнення , при якому атом збуджується або іонізується, залежить від порядкового номера , тобто від ступеня зв'язку електронів в атомі.

Енергетичні втрати зарядженої частинки в не пружних (збудження й іонізація) і пружних (зіткненнях з атомами) прийнято відносити до іонізаційних втрат. Вони характеризуються питомою іонізацією, рівною числу іонних пар (електрон, іон), які виникають на одиниці шляху руху частинки. На створення однієї іонної пари в одній і тій же речовині всі заряджені частинки витрачають в середньому однакову енергію, з якої приблизно одна половина йде на іонізацію, а інша – на збудження і на пружні зіткнення з молекулами. Наприклад, заряджені частинки витрачають на утворення однієї іонної пари в повітрі приблизно 34 еВ своєї енергії. З цієї енергії на іонізацію молекули йде близько 15 еВ, а інші 19 еВ – на збудження і пружні зіткнення.

Питому іонізацію неважко розрахувати виходячи з питомих втрат енергії (dE/dx), яка дорівнює зміні кінетичної енергії частинки на одиницю пройденого шляху в речовині. Число іонних пар на одиниці шляху дорівнює питомій втраті енергії, поділеній на середні втрати енергії в речовині на утворення однієї іонної пари:

. (3.5.1.2)

Питома втрата енергії частинки, як і зміна енергії електричного поля при зіткненні з електроном, залежить від квадрата заряду частинки і від квадрата її швидкості. Крім того, вона пропорційна числу електронів, з якими відбуваються зіткнення на одиниці шляху. Кількість таких зіткнень в свою чергу пропорційне концентрації атомних електронів у речовині :

. (3.5.1.3)

Питомі втрати енергії лінійно залежать від густини атомних електронів . В свою чергу густина атомів для твердих речовин майже постійна, a . Тому іонізаційні питомі втрати енергії в двох простих речовинах відносяться між собою як їх порядкові номери в таблиці Менделєєва:

. (3.5.1.4.)

Так, іонізаційні втрати протона у свинці () приблизно в 16 разів більші, ніж у вуглеці ().