Взаимодействие заряженных частиц с веществом

К заряженным частицам относятся электроны (включая отрицательные и положительные b-частицы), положительные и отрицательные мезоны и гипероны, протоны, дейтроны,            a-частицы и ядра (ионы) более тяжелых элементов. Процессы, происходящие при взаимодействии заряженной частицы с веществом, происходят, главным образом, под действием электромагнитных и ядерных сил. Взаимодействия могут быть упругими (при которых сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной) и неупругими (при которых часть кинетической энергии передается образовавшимся свободным частицам или g-квантам, а другая часть − атому или ядру на их возбуждение). Процессом упругого взаимодействия является процесс упругого рассеяния. К неупругим взаимодействиям относят неупругое рассеяние, ионизацию и возбуждение атомов, испускание тормозного излучения, расщепление и возбуждение ядер.

Характер взаимодействия заряженной частицы с веществом, а также преобладание того или иного процесса взаимодействия зависят от типа заряженной частицы (масса, заряд), от ее энергии, а также от свойств среды, в которой происходит движение частицы. Хотя основным механизмом, определяющим взаимодействие заряженных частиц с веществом, является кулоновское взаимодействие зарядов, и процесс этот одинаков для тяжелых и легких заряженных частиц, из-за большой разницы масс (например, масса a-частицы больше массы электрона примерно в 7300 раз) скорость потери энергии и траектория движения в веществе у электронов и тяжелых частиц существенно различны.

Прямая ионизация атомов и молекул заряженными частицами – основной процесс передачи энергии излучения веществу, точнее, электронной структуре атома. Ионизация возникает только тогда, когда передается достаточное количество энергии для удаления электрона из оболочки, поэтому эта энергия должна быть больше энергии связи отдельных орбитальных электронов.

Энергия, необходимая для производства одной ионной пары в веществе, находится в диапазоне от 5 до 40 эВ (для жидкой воды – около 19 эВ, для воздуха – около 34 эВ) и не зависит от типа заряженной частицы. Следовательно, когда любая заряженная частица передает 100 кэВ своей энергии воде, это приводит к производству около 5000 ионных пар.

Интенсивность ионизации или удельная ионизация определяется как число ионных пар, созданных на сантиметре пути в данном веществе, и пропорциональна массе частицы и квадрату ее заряда. Например, альфа-частица может произвести намного больше ионизаций на единице длины пути, нежели бета-частица с той же энергией. Это явление возникает потому, что чем больше масса альфа-частицы, тем медленнее она движется при данной энергии и, следовательно, взаимодействует с электронами из оболочки атома более длительное время, достаточное для выбивания большего числа электронов из атомной оболочки.