Презентация на тему "Ядерные частицы"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  1 Лекция 8 1.Взаимодействие ядерных частиц с веществом 2. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество. 3. Прохождение легких заряженных частиц через вещество. 4. Прохождение  - квантов через вещество. 5. Другие механизмы взаимодействия излуче- ния с веществом: Комптоновское рассеяние, фотоэффект, рождение электрон-позитрон- ных пар, эффект Вавилова –Черенкова.

• 
  Слайд 2
  

  2 1.Введение. Будем рассматривать частицы и  - кванты с энергиями Е >> J =13.5 ZэВ. (J – средний потенциал ионизации атома; E

• 
  Слайд 3
  

  3 2. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество. Частица, пролетая сквозь вещество, «растал-кивает» атомные электроны своим кулонов-ским полем. При этом частица теряет свою энергию – ионизационные потери, а атомы ионизуются или возбуждаются. Эти потери энергии на единицу пути будем характеризо-вать величиной - dE/dx и полным пробегом R частицы в веществе.

• 
  Слайд 4
  

  4 Приближения: - применимо классическое рассмотрение про-цесса столкновения частицы с электроном атома – pb>>ħ; - скорости атомных электронов до и после столкновения малы по сравнению со скоростью налетающей частицы, или Ечаст >> (Мчаст/me)Ee

• 
  Слайд 5
  

  5 F F F + e X=0 (x2 +b2)1/2 b Cхема взаимодействия заряженной частицы (+) с электроном (е)

• 
  Слайд 6
  

  6 Вычислим потери энергии налетающей час-тицей при столкновении с одним электроном. Импульс электрона будет менятся в перпенди-кулярном направлении к оси (Х): Пусть взаимодействие эффективно на участке пути равном 2b, которое частица проходит за время Δt = 2b/vч. Кулоновская сила взаимодей-ствия примерно равна:

• 
  Слайд 7
  

  7 Это энергия, которую теряет частица и приоб-ретает электрон в атоме вещества. Учтем взаимодействие со всеми электронами на рас-стоянии b. Для этого запишем объем цилиндрического слоя радиуса b, толщиной db и высотой dx: V = 2 ∙bdbdx. ∙ Число электронов в объеме V равно V∙ne=2 ∙b∙nedbdx (ne– плотность электронов).

• 
  Слайд 8
  

  8 Тогда общие потери энергии частицей: Оценка логарифмического множителя приво-дит к выражению для ионизационных потерь –формула Бора:

• 
  Слайд 9
  

  9 Выражая скорость через энергию и массу частицы: Выводы из формулы Бора: - Число ne пропорционально плотности вещества ne=Z ∙ ∙Na / A.Поэтому -dE/dx ~ , a величина -dE/d(∙x) примерно одинакова для всех веществ. - Величину (x), имеющую размерность г/см2, принимают за единицу длины и в этих единицах рассчитывается толщина защиты от радиации.

• 
  Слайд 10
  

  10 - Зависимость -dE/dx~ 1/v2 свидетельствует, что чем ниже скорость частицы, тем выше потери. Поэтому треки частиц в камере Вильсона или в фотоэмульсии резко утолщаются в конце пути. - При одной и той же энергии при нерелятиви-стскихскоростях потери пропорциональны массе частицы. Поэтому треки у тяжелых час-тиц жирнее и короче. Многократно заряженные частицы сильнее тормозятся в веществе.

• 
  Слайд 11
  

  11 Формула Бора не применима при очень малых и очень больших энергиях налетающих частиц. Пробег R частицы в веществе зависит от энергии, массы и заряда частицы:

• 
  Слайд 12
  

  12 3. Прохождение легких заряженных частиц через вещество. Механизм ионизационных потерь для электронов в общем такой же, как и для других заряженных частиц. Отличие в малости массы электрона, что приводит к большому изменению импульса электрона в каждом столкновении, изменения первоначального направле-ния движения. С учетом всех поправок для ионизаци-онных потерь электронов получены выражения: а –релят.:

• 
  Слайд 13
  

  13 Выводы: -При одной и той же скорости потери примерно одинаковы для однократно заряженных частиц любых масс для релятивистских энергий (например: р,е).

• 
  Слайд 14
  

  14 -В нерелятивистском случае потери пропорцио-нальны массе частицы и для протона они в 2000 раз больше чем для электрона той же энергии. В ультрарелятивистском пределе ионизацион-ные потери слабо зависят и от энергий и от масс частиц. Поэтому эти частицы трудно отличить по толщине треков.

• 
  Слайд 15
  

  15 Заряженная частица, движущая с ускорением, излучает электромагнитные волны. Поэтому электроны при столкновениях с атомами (ядра-ми) вещества излучают. Это излучение назы-вают тормозным. Потери энергии на тормозное излучение называются радиационными. Интенсивность тормозного излучения для час-тицы с ускорением vв нерелятивистском нек-вантовом случае определяется соотношением:

• 
  Слайд 16
  

  16 Релятивистский квантовый расчет приводит к следующей формуле для радиационных потерь: С увеличением энергии электронов радиационные потери становятся преобладающими при Екр. Для оценки критической энергии получено соотношение:

• 
  Слайд 17
  

  17 4. Прохождение  - квантов через вещество. К  - квантам относят электромагнитные вол-ны, длина которых,  , значительно меньше межатомных расстояний d = 10-8 см: 

• 
  Слайд 18
  

  18 Поэтому, при взаимодействии с веществом  - кванты или поглощаются, или рассеивают-ся на большие углы и их интенсивность понижается: dJ = - J0dx здесь J, J0 – число частиц, проходящих через 1 см2 в 1 сек. и начальная интенсивность, соответ-ственно;  - коэффициент поглощения;  / - массовый коэффициент поглощения или толщина слоя вещества, измеряется в единицах г / см2.

• 
  Слайд 19
  

  19 Если коэффициент поглощения разделить на число поглощающих центров, то получим полное сечение рассеяния данного процесса: i nii, а полный коэффициент поглощения будет равен:  i. Поглощение  - квантов веществом происходит за счет трех процессов: фотоэффекта,комптон- эффекта и рождения электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра.

• 
  Слайд 20
  

  20 Фотоэффект. Фотоэффектом называется процесс поглощения  - кванта атомом с испусканием электрона. Поскольку свободный электрон не может поглотить  - квант (вследствии нарушения законов сохранения энергии и импульса), то вероятность поглощения бу-дет максимальна при Еγ ~ Есв для электронов. Таким образом, на зависимости эффективного сечения иони-зации Ф от Е будут наблюдаться резкие пики при Е равных потенциалу ионизации оболочек К, L, М и т.д.…

• 
  Слайд 21
  

  21 ф IMIL IKE Рис . Зависимость сечения ионизации от энергии энергии  - кванта.

• 
  Слайд 22
  

  22 Сечение фотоионизации ф ~ 5, т.е. силь-но зависит от атомного номера вещества; растет при переходе к тяжелым элементам; является преобладающим механизмом поглощения при низких энергиях -квантов: ф  6*10-16 см2 при Е = 1 КэВ; ф  6*10-25 см2 при Е = 0.1 МэВ.

• 
  Слайд 23
  

  23 Рис . Зависимость эффективных сечений фотоэффекта для разных элементов от энергии  - кванта (в единицах мес2).

• 
  Слайд 24
  

  24 Комптон – эффект. С увеличением энергии  -кванта электроны в атоме можно считать свободными и взаимодей-ствие принимает характер рассеяния. При этом наблюдается рассеянное излучение с большей длиной волны. Изменение длины волны  - кванта равно: Δh /mec(1 - cosӨ) = Λk(1 - cosӨ), где Θ- угол рассеяния, Λk– Комптоновская длина волны электрона: Λk= h /mec = 2.42 ∙10 -10 см (0.024Å)

• 
  Слайд 25
  

  25 Полные сечения комптон-эффекта (спл. линия) и фотоэффекта для разных элементов от энергии  - кванта (в единицах мес2).

• 
  Слайд 26
  

  26 В поле ядра возможен процесс образования электрон-позитронных пар. При высоких Е пороговая энергия образования равна При образовании электрон-позитронныхпар в кулоновском поле электрона пороговая энергия  - кванта повышается до:

• 
  Слайд 27
  

  27 Зависимость эффективного сечения рождения электрон-позитронныхпар на свинце и алюминии от энергии - кванта (в единицах мес2). ф0

• 
  Слайд 28
  

  28 В итоге, для  - квантов, необходимо учитывать все три процесса взаимодействия со средой: фотоэффект, эффект Комтона и процесс образования электрон-позитронных пар:

• 
  Слайд 29
  

  29 Зависимость сечения поглощения для свинца от энергии  - кванта (в единицах мес2).

• 
  Слайд 30
  

  30 Зависимость коэффициента поглощения от энергии  - кванта (в единицах мес2) для разных элементов.

• 
  Слайд 31
  

  31 5. Другие механизмы взаимодействия излучения с веществом. Эффект Черенкова. 1958 г. – Нобелевская пре-мия, П. Черенков, И. Франк, И. Тамм. Скорость света в среде определяется формулой:  = с = с/n. Так как n >1, то частица может дви-гаться быстрее скорости света в среде. Такая сверхсветовая частица, если она заряжена, бу-дет излучать свет даже при неускоренном дви-жении.

• 
  Слайд 32
  

  32 Фронт волны черенковского излучения является огибающей сферических волн испущенных частицей. При v = с