1. Основные понятия

Рассмотрим хорошо коллимированный моноэнергетический пучок частиц, проходящий через слой вещества. Свойства пучка после прохождения через вещество определяются физической природой частиц и толщиной слоя вещества. Начнем с того, что рассмотрим два предельных случая (см. рис. 6.1.).

N(x)

a

б

Рис. 6.1. Прохождение хорошо коллимированного моноэнергетического пучка через слой вещества. а- каждая частица испытывает много столкновений; б- частица проходит через слой, не взаимодействуя с ним, или же поглощается данным слоем вещества.

В первом случае (вариант а) частица испытывает много взаимодействий; при каждом взаимодействии она теряет незначительное количество первоначальной энергии и рассеивается на очень малый угол. Во втором случае (вариант б) частица либо проходит через слой, не взаимодействуя с ним, либо поглощается данным слоем вещества. Первый случай имеет место, например, при прохождении тяжелых заряженных частиц через вещество, а второй соответствует поведению фотонов или нейтронов. (Электроны относятся к промежуточному случаю). Рассмотрим оба случая более детально.

2. Типы процессов, сопровождающих прохождение разного типа ионизирующих излучений через вещество.

По современным воззрениям в природе существует четыре типа взаимодействия: сильное (ядерное); электромагнитное (взаимодействие зарядов и токов); слабое (лептонное) и гравитационное.

1. Сильное взаимодействие. Оно характеризуется малым радиусом (~10^-13 см). Характерное время протекания процессов с участием сильного взаимодействия t10^-2310^-21 c. Процессы: ядерные реакции, упругое и неупругое рассеяние, обусловленные ядерными силами.

2. Электромагнитное взаимодействие. Этот вид взаимодействия (наряду с гравитационным) обеспечивает проявление практически всех видов сил, наблюдаемых в природе. Интенсивность этого взаимодействия на два-три порядка слабее ядерного в зоне действия ядерных сил. В отличие от ядерного это взаимодействие является дальнодействующим. Характерные времена электромагнитных процессов 10^-19 с.

3. Слабое взаимодействие. Этот вид взаимодействия обуславливает процессы распада элементарных частиц. Характерные времена слабых процессов 10^-1010^-11 с.

4. Гравитационное взаимодействие. Является самым слабым из существующих, поэтому проявляется при очень больших массах. При описании процессов в мире микрочастиц этим взаимодействием можно пренебречь. Исключение составляют работы с ультрахолодными нейтронами (нейтроны с энергией Е10^-7 эВ).

3. Понятие поперечного сечения взаимодействия микрочастиц с веществом. Коэффициент поглощения.

Рассмотрим взаимодействие пучка микрочастиц с веществом. Возьмём некую пластинку толщиной d, стоящую перпендикулярно направлению падения пучка (см. рис. 6.2). Пусть N поток микрочастиц, падающих на 1 см² тонкой мишени. Под тонкой мишенью будем понимать такую мишень, когда ядра её не перекрывают и не затеняют друг друга. Как это можно понять? Если толщина мишени d, то число ядер, проецирующихся на площадь в 1 см² будет равно:

, где

-плотность вещества; N_A-число Авогадро; М-вес в г-моль

Размер ядра равен R=1,5A^1/310^-13см. Откуда S_яд=2,25А^2/3.

Если n_sS_яд<<1, то мишень тонкая. На практике под тонкой мишенью понимают такую мишень, когда потери энергии или ослабление пучка малы относительно начальных значений.

Рис. 6.2. Схема взаимодействия пучка микрочастиц с веществом

На практике особый интерес представляет количество dN частиц, которые испытали взаимодействие при прохождении слоя dx. Очевидно число таких частиц будет пропорционально начальному числу частиц в пучке, количеству ядер вещества, взаимодействующих с пучком на протяженности dx, а также вероятности  для рассматриваемой частицы испытать взаимодействие с ядрами вещества.

. Таким образом, Вероятность  имеет в данном случае размерность площади и носит название поперечное сечение.

Очевидно, N(x) уменьшается по мере роста х, поэтому dN должно быть отрицательной величиной

dN=-N(x)n_vdx или . После интегрирования по х lnN(x)=-n_vx+C или . При х=0 С=N₀, тогда или . Величина -носит название коэффициента поглощения. Нетрудно убедиться, что для ослабления пучка в е раз толщина поглотителя d должна быть равной d=1/.

Выше рассмотрено полное (интегральное) сечение, которое характеризует вероятность процесса независимо от пространственных характеристик выходов продуктов, родившихся в нём. Для информации о пространственных характеристиках используют зависимости вероятности образования вторичных продуктов от углов вылета (так называемые угловые распределения). Последние определяются дифференциальными в зависимости от угла поперечными сечениями где  и , соответственно, полярный и азимутальный углы сферической системы координат, начало которой совпадает с центром объекта взаимодействия, а полярная ось Z- с направлением налетающей частицы; - телесный угол.

Полное сечение может быть получено интегрированием дифференциального сечения.

.

При неполяризованном пучке и мишени дифференциальное сечение не зависит от азимутального угла. В этом случае .