Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Boyko_Fizika_vzaimodeystviya_zaryazhennykh_chastits_i_gamma_2023

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Н. В. Бойко, С. В. Колесников, С. Г. Рудаков

ФИЗИКА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Учебное пособие

Допущено ФУМО по УГСН 14.00.00 Ядерная энергетика и технологии в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии»

Москва

2023

1

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

3

Содержание

4

Введение

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Физика взаимодействия заряженных частиц и гамма-излучения с веществом» предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 14.03.02

и14.04.02 «Ядерные физика и технологии». В основу пособия положен курс лекций по взаимодействию ионизирующего излучения с веществом, читаемый на кафедре прикладной ядерной физики. Данное пособие может быть также полезно специалистам

имагистрам, проходящим подготовку в области ядерной физики, радиационной безопасности, ядерно-физических методов исследования вещества и ядерного, электрофизического и киберфизического приборостроения.

Учебное пособие состоит из трех глав: «Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Основные понятия и определения», «Взаимодействие заряженных частиц с веществом» и «Взаимодействие гамма-излучения с веществом».

Впервой главе рассмотрена общая характеристика взаимодействий, в которых могут участвовать частицы, даны общие понятия и представления об основных видах излучения и единицах измерения основных физических величин в ядерной физике.

Вторая глава посвящена физике взаимодействия и особенностям прохождения заряженных частиц через вещество. В главе рассмотрены зависимости ионизационных потерь и пробега от свойств частицы и среды, процессы упругого рассеяния заряженных частиц, уделено внимание взаимодействию электронов со средой и тормозному излучению. Отдельно проанализированы черенковское излучение, движение заряженных частиц в кристаллической решетке и связанные с ним эффекты каналирования и эффект теней.

Третья глава посвящена изучению процессов прохождения гамма-излучения через вещество. Основное внимание уделено таким явлениям, как фотоэффект, комптон-эффект и эффект образования пар.

Вконце каждой главы приведены контрольные вопросы.

5

Глава 1

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рассмотрим общую характеристику процессов взаимодействия и введем основные понятия и определения.

1.1 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ В ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Для начала определимся с масштабами и единицами измерения основных физических величин в ядерной физике. Наиболее часто используемая система – это система СГСЭ (сантиметр, грамм, секунда, единица заряда СГСЭ). Помимо этой системы единиц также применяются внесистемные единицы.

Рассмотрим часто используемые в ядерной физике величины и их единицы измерения.

Энергия микрочастицы обычно измеряется в электронвольтах (эВ). Это внесистемная единица, равная энергии, которую приобретает один элементарный заряд под действием разности потенциалов в один вольт.

Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U – разность потенциалов), а элементарный заряд составляет порядка

1,6 10−19 Кл, то 1 эВ = 1,6 10−19 Дж (СИ) = 1,6 10−12 эрг (СГСЭ).

В ядерной физике очень часто используют производные единицы: кило-, мега-, гига-, тераэлектронвольт. Мегаэлектронвольт (МэВ) – величина энергии, наиболее характерная для ядерной физики.

Длина обычно измеряется в сантиметрах, а также используется внесистемная единица – Ферми: 1 Ф = 10 13 см. Эта единица удобна тем, что по порядку величины близка к размерам атомных ядер и, соответственно, радиусу действия ядерных сил между нуклонами.

Время измеряется в секундах.

6

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

Масса ядер изотопов, элементарных частиц часто измеряется либо в атомных единицах массы (а. е. м.), либо в энергетических единицах (МэВ).

Атомная единица массы (а. е. м.) – это внесистемная единица, равная 1/12 массы изотопа 12С:

Энергетические единицы основаны на соотношении Эйнштейна Е = mc2:

1 а. е. м. с2 = (1,66054 10 24 г) (2,9979 1010 см/с)2 = = 1,4924 10 3 эрг = 931,5 МэВ.

В энергетических единицах масса покоя протона mp = 938,28 МэВ, масса покоя нейтрона mn = 939,55 МэВ, масса покоя электрона me = 0,511 МэВ.

Для удобства проведения расчетов, при использовании внесистемных единиц либо единиц из разных систем, можно применять такие известные константы и соотношение между ними, как:

–классический радиус электрона re= e2/mec2 = 2,81794 10 13 см;

–постоянная тонкой структуры α = e2/ħc = 1/137;

–ħc/197 МэВ = 10 13 см.

Здесь e – элементарный заряд; ħ – постоянная Планка;

ħ = 1,05 10 27 эрг с = 6,582 10 22 МэВ с; mec2 = 0,511 МэВ.

1.2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЯДРЕ

Как известно, в ядре сосредоточена почти вся масса атома, частью которого это ядро является, и состоит оно из плотно упакованных нуклонов нейтронов и протонов, связанных между собой совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий.

Протон 11 p (время жизни ) электрически заряжен положи-

тельно, его заряд равен по модулю заряду электрона; нейтрон 01n

(время жизни в свободном состоянии 10–12 мин) имеет электрический заряд, равный нулю. Массы протона и нейтрона примерно

7

Глава 1

одинаковы и почти в 2000 раз превышают массу электрона. Нейтрон и протон можно рассматривать как два квантовых состояния одной частицы – нуклона, являющегося фермионом (спин равен 1/2). По современным представлениям нуклоны имеют внутреннюю структуру и состоят из фундаментальных частиц – кварков.

Так как атом электрически нейтрален, то заряд атомного ядра Z определяется количеством протонов, равным количеству электронов в атомных оболочках. Количество протонов определяет структуру электронных оболочек атома и, как следствие, химические свойства всех изотопов элемента. Заряд атомного ядра совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.

Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит это ядро. Левый верхний индекс символа показывает суммарное число нейтронов и протонов в данном ядре, а левый нижний – число протонов. Суммарное количество нейтронов N и протонов Z в ядре называется массовым числом А = Z + N (Рис. 1.1). Общее число нуклонов в ядерных реакциях остается неизменным (закон сохранения числа нуклонов).

Рис. 1.1. Массовое и зарядовое числа на примере алюминия

Ядра с одинаковыми значениями Z (т. е. с одинаковым количеством протонов) и разными А называют изотопами. Ядра с одинаковыми значениями А и разными Z (т. е. с разным количеством протонов) называют изобарами. Ядра с одинаковым количеством нейтронов N и разными Z (или А) называют изотонами.

Характерные размеры ядер можно определить с помощью параметра Rя, который имеет физический смысл радиуса, если считать ядро сферически симметричным. Значения Rя, полученные в результате опытов по рассеянию различных частиц, определяются форму-

8

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

лой Rя ≈ re A1/3; где re – константа, re ≈ (1,2…1,4) 10–13 см. Из формулы видно, что размер ядра зависит от количества нуклонов, а вот плотность ядерного вещества не зависит от А.

Помимо массового числа, электрического заряда, массы и радиуса, стабильные ядра характеризуются также энергией связи нуклонов в ядре, спином (собственный механический момент ядра), магнитным моментом, квадрупольным электрическим моментом (мера несферичности ядра), изотопическим спином и четностью волновой функции.

Исходя из представлений о массе ядра как эквиваленте энергии покоя и из известного соотношения Эйнштейна E = mc2, можно сформулировать условие стабильности ядра относительно некоторого распада. Масса исходного стабильного ядра должна быть меньше суммарной массы ядер и частиц, образующихся в результате предполагаемого распада. Это возможно только при оптимальном соотношении между нуклонами, что приводит к существованию ядер лишь в ограниченной области значений Z и А (или N). Количественное соотношение между Z и А (или N) для существующих ядер представлено на диаграмме стабильности ядер в виде дорожки стабильности (Рис. 1.2).

Ядра слева от дорожки стабильности имеют избыточное число нейтронов и, как правило, переходят в устойчивое состояние, испуская -частицу (электрон). Ядра справа имеют избыток протонов и для перехода в устойчивое состояние испускают-частицу (позитрон).

Таким образом, все атомные ядра можно разделить на две категории: стабильные и нестабильные (радиоактивные). Стабильные ядра остаются неизменными неограниченно долго, нестабильные испытывают самопроизвольные превращения с испусканием частиц либо электромагнитного излучения.

9