Прохождение легких заряженных частиц через вещество

Прохождение электронов и позитронов через вещество качественно отличается от прохождения тяжёлых заряженных ча­стиц. Главной причиной этого является малость масс электрона и позитрона. Напомним, что среди остальных заряженных частиц легчайшей является мюон, масса которого в 207 раз больше электронной. Из-за малости массы для налетающего электрона (позитрона) относительно велико изменение импульса при каждом столк­новении в веществе, это, в свою очередь, приводит к тому, что электрон, во-первых, может значительно отклоняться от первоначального направления движения, и, во-вторых, может порождать при столкновениях кванты электромагнитного излучения. Первый из упомянутых эффектов проявляется в том, что электрон движется в веществе не по прямой; за счет же второго эффекта для электронов становятся существенными радиационные потери, т. е. потери энергии на электромагнитное излучение.

Кроме того, при столкновении налетающего электрона с элек­тронами вещества проявляются так называемые обменные эффекты, возникающие из-за неразличимости сталкивающихся электронов. Обменные эффекты имеют квантовое происхождение, поэтому их влияние на процесс прохождения не очень велико. При прохождении позитронов обменные эффекты не возникают, но зато становится возможным процесс аннигиляции налетающего позитрона с электроном вещества; Относительная роль аннигиляционных эффектов также невелика. Поэтому процесс торможения примерно одинаков для электронов и позитронов.

Легкая заряженная частица с зарядом Ze при E>E_ср испытывает кулоновское рассеяние (или радиационное торможение).

В электродинамике доказывается, что заряженная частица, движущаяся с ускорением, обязательно излучает энергию.

Очевидно, что радиационные потери существенны у легких частиц, т.к

то

Поэтому заряженная частица излучает при столкновениях с частицами вещества, через которое она проходит, это излучение называется тормозным, потери энергии частицы на тормозное излучение называются радиационными.

Например, радиационные потери для протонов в 4x10⁶ раз меньше, чем для электро­нов.

Более правильная оценка дается для тормозного излучения Бетте- Гайтлером:

, где

α – постоянная тонкой структуры;

r₀ — классический радиус электрона;

п — числоатомов в см³ вещества;

Е — полная энергия излучающего элект­рона.

Как видно из выражения, потери энергии на тормозное излучение подчиняются иным закономерностям, чем потери энер­гии вследствие неупругих соударений, в частности:

1) тормозное излучение пропорционально энергии E до значения т₀с², а затем возрастает и при достаточно больших энергиях
становится преобладающим;

2) потери на излучение пропорциональны квадрату заряда ядра ~z², поэтому для тяжелых элементов они более существенны, чем
для легких, приближённо

Энергия, при которой потери на излучение становятся равными поте­рям на ионизацию, называется критической энергией. Отсюда следует, что ионизационные и радиационные потери становятся сравнимыми в воздухе при , в воде , в свинце .

Поэтому относительный вклад различных потерь энергии существенно зависит не только от вещества, но и от массы и энергии частицы.