Взаимодействие альфа-частиц с веществом

Основными силами взаимодействия -частиц с веществом являются кулоновские силы, основными процессами взаимодействия – процессы упругого рассеяния и ионизационного торможения.

Упругое рассеяние – это такой процесс взаимодействия двух частиц, при котором суммарная кинетическая энергия обеих частиц сохраняется и происходит лишь перераспределение ее между частицами. При этом сами частицы изменяют направление своего движения, т. е. происходит процесс рассеяния.

Проходя через вещество, -частицы почти не рассеиваются на электронах среды из-за своей большой массы, а рассеиваются на ядрах атома. Опыт по изучению рассеяния-частиц сыграли историческую роль в развитии представлений о строении атомов. Основываясь на наблюдении больших углов рассеяния > 90, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд сосредоточен в очень малом объеме радиусом порядка 10^-13 см. Отсюда и возникла впервые “ядерная” модель атома, согласно которой атом подобен планетарной системе: в центре – ядро, вокруг которого вращаются электроны. При торможении заряженной частицы энергия расходуется на ионизацию и возбуждение атомов среды, через которую она проходит. Пробег частицы R можно определить как расстояние, которое она проходит до момента полной потери энергии. Характерной особенностью -частиц является существование у них определенного пробега: треки -частиц одинаковой энергии в камере Вильсона представляют собой прямые линии одной и той же длины с небольшим разбросом в ту или другую сторону. Величина пробега частиц определяется теми потерями энергии, которые происходят при их движении. На опыте (рис. 4) можно убедиться, что -частицы, вылетевшие из источника с одинаковыми скоростями, имеют несколько различные пробеги.

dN

dr

R_э

N,

dN

dr

R_о

R_∞

Рис. 4

Если исследовать пучок -частиц, например, при помощи флюоресцирующего экрана, и подсчитывать число сцинтилляций, увеличивая постепенно расстояние между источником и экраном, т. е. заставляя-частицы проходить все больший слой воздуха, то оказывается, что число частицNв пучке остается постоянным, (график идет параллельно оси r) до определенного расстоянияR_о, а затем постепенно уменьшается до нуля по кривой с некоторым наклоном.Если эту кривую продифференцировать и построить величину в зависимости от толщины слоя воздуха (r), то получится кривая (2).Эта кривая имеет максимум при, показывающий, что подавляющее большинство-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом. Разброс пробега объясняется флюктуацией числа атомов, встречающихся на пути-частицы. Число ионов, созданных частицей, и потеря ее энергии при этом будет зависеть от числа столкновений с атомами.

Второй причиной разброса является перезарядка частиц при ее движении через среду. Если направить пучок -частиц через камеру Вильсона с малой скоростью (пропустив их предварительно через фильтры перед камерой), то в треках-частиц можно видеть разрывы – это участки пути, на которых они являются нейтральными. При прохождении-частиц через вещество к ним может примкнуть один или два электрона. Таким образом, на всем пути частица имеет разный заряд. Опытами установлено, что быстрая-частица движется, в основном, как двухзарядный ион, при уменьшении скорости она будет терять заряд, двигаясь как однозарядный ион или даже как нейтральная частица. Естественно, что перезарядка вызывает дополнительные флюктуации пробега.

Помимо среднего значения пробега -частиц, существует понятие экстраполированного пробега, который получается путем продолжения почти прямой линии спада до пересечения ее с осьюr(рис. 4). Величина, соответствующая точке пересечения, принимается за величину экстраполированного пробегаR_э. Этот пробег всегда больше, чем среднийR_ср. Величина пробега частиц определяется потерями энергии, которые происходят при их движении. Потери эти различны для различных скоростей частиц. При скоростях-частиц (1–2,5)10⁹см/с и энергии (4–15) МэВ можно использовать закон Гейгера

,

где R_э – в см, W – энергия в МэВ.

Пробеги -частиц, испускаемых естественно – радиоактивными элементами и имеющих энергии(4-10) МэВ, удовлетворяют закону Гейгера.