Презентация Взаимодействие частиц и излучений с веществом онлайн

Содержание слайда: Взаимодействие частиц и излучений с веществом Выполнила студентка группы 4162 Бетенева В.В.

Содержание слайда: Основные процессы взаимодействия заряженных частиц со средой Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов Тяжелые заряженные частицы теряют свою энергию в основном в результате кулоновского взаимодействия при столкновениях со связанными атомными электронами. При этом электроны могут перескакивать на более высокие дискретные уровни (возбуждение), а могут и отрываться от атома (ионизация). Если пролетающая через вещество частица обладает энергией, большей энергии связи электрона в атоме, то преобладают процессы ионизации. Потери энергии и многократное рассеяние при упругом рассеянии При пролете заряженной частицы через атом в непосредственной близости от ядра происходит кулоновское взаимодействие с ядром, так как прицельный параметр настолько мал, что кулоновское поле ядра не экранируется полем атомных электронов. Потери энергии на упругое взаимодействие с ядрами составляют около 0.03% от ионизационных потерь, т.е. дают незначительный вклад в общие потери энергии. При прохождении через вещество частицы претерпевают многократное рассеяние. Тормозное излучение Это электромагнитное излучение заряженной частицы, возникающее в результате ее торможения при взаимодействии с электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов. Излучение Вавилова-Черенкова При движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде, возникает специфическое свечение, названное излучением Вавилова-Черенкова.

Содержание слайда: Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов

Содержание слайда: Ионизационное торможение заряженных частиц Ионизация и возбуждение атомов среды являются главным механизмом потерь энергии при прохождении тяжелой заряженной частицы через вещество. В этом механизме кинетическая энергия заряженной частицы тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды, через которую она проходит. Ионизационные потери для тяжёлых заряженных частиц можно описать при помощи следующей приближенной формулы: Данная формула была впервые сформулирована Феликсом Блохом и Хансом Бете и в последствии была названа в их честь. Здесь z – заряд частицы, летящей со скоростью v в веществе с плотностью электронов . (эрг) ‒ средний потенциал возбуждения атомов поглощающего вещества ( в эВ: I 13.5Z 10Z (эВ)). Основной результат, вытекающий из этой формулы, заключается в том, что удельные потери энергии заряженной частицы на ионизацию пропорциональна квадрату заряда частицы, концентрации электронов в среде, некоторой функции от скорости и не зависит от массы налетающей частицы. Это получается из-за того, что происходит взаимодействие электрических зарядов частиц, а не их масс.

Содержание слайда: Ионизационное торможение заряженных частиц

Содержание слайда: Формула Бете-Блоха и график в Maple

Содержание слайда: Формула Бете-Блоха и график удельных потерь протонов в свинце (в Maple)

Содержание слайда: Ионизационное торможение электронов  

Содержание слайда: Пробеги заряженных частиц  

Содержание слайда: Пробеги заряженных частиц  

Содержание слайда: Пробеги заряженных частиц

Содержание слайда: Пробеги электронов

Содержание слайда: Радиационное торможение. При быстром торможении заряженной частицы в электрическом поле атомного ядра и атомных электронов испускается тормозное излучение. Потери энергии на тормозное излучение (радиационные потери) пропорциональны квадрату ускорения. Поскольку силы F кулоновского взаимодействия с ядрами для частиц с равными зарядами z одинаковы, то

Содержание слайда: Взаимодействие нейтронов с веществом Электромагнитное взаимодействие нейтрона с электроном определяется взаимодействием магнитных моментом. Но оно настолько мало, что сечение ионизационного торможения нейтрона оказывается в раз меньше, чем для заряженной частицы. Эффект от взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электрона становится заметным только тогда, когда магнитные момент всех электронов ориентированы одинаковым образом (в ферромагнетиках). В этом случае взаимодействие магнитных моментов нейтрона и электронов приводит к макроскопическому эффекту дополнительного рассеяния, излучение которого позволяет оценить магнитный момент нейтрона. Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. В зависимости от того, попадёт нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на два класса: Упругое потенциальное рассеяние на ядерных силах без попадания нейтрона в ядро (n,n); Ядерные реакции типов (n, γ), (n,p), (n,α), реакция деления и др.; неупругое рассеяние (n,n’), упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро – упругое резонансное рассеяние (n,n);

Содержание слайда: Взаимодействие нейтронов с веществом Относительная роль каждого процесса определяется соответствующим сечением. В некоторых веществах, для которых роль упругого рассеяния относительно высока, быстрый нейтрон теряет свою энергию в серии последовательных актов упругого соударения с ядрами вещества (замедление нейтронов). Процесс замедления продолжается до тех пор, пока кинетическая энергия нейтрона не сравняется с энергией теплового движения атомов замедляющего вещества (замедлителя). Такие нейтроны называют тепловыми. К числу лучших замедлителей, широко используемых в ядерной физике и ядерной технике для превращения быстрых нейтронов в тепловые, относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит. Поскольку в этих замедлителях, содержащих лёгкие ядра, потери на поглощение малы. Дальнейшие столкновения тепловых нейтронов с атомами замедлителя практически не изменяют энергии нейтронов и приводят только к перемещению их в пространстве (диффузия тепловых нейтронов), которое продолжается до тех пор, пока нейтрон не поглотится ядром. Вопросы взаимодействия быстрых и медленных нейтронов со средой чрезвычайно важны при рассмотрении различных задач нейтронной физики и, в частности, для конструирования ядерных реакторов.

Содержание слайда: Взаимодействие γ-излучения с веществом Изменение интенсивности тонкого пучка гамма- (или рентгеновского) излучения происходит по экспоненциальному закону (закону Бугера) где Io – начальная интенсивность, x – пройденное в веществе расстояние. Величину называют линейным коэффициентом поглощения гамма-излучения. Величину μγ называют линейным коэффициентом поглощения гамма-излучения .

Содержание слайда: Взаимодействие γ-излучения с веществом Основными видами взаимодействия γ-излучения с веществом являются: Атомный фотоэффект Эффект Комптона Образование электрон-позитронных пар

Содержание слайда: Атомный фотоэффект Атомным фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия γ-кванта с электроном, связанным с атомом, при котором электрону передаётся вся энергия γ-кванта, при этом электрон выбрасывается за пределы атома. Освободившееся в результате фотоэффекта место на электронной оболочке заполняется электронами с выше расположенных оболочек. Этот процесс сопровождается испусканием рентгеновского излучения.

Содержание слайда: Эффект Комптона Детальное изучение рассеяния электромагнитного излучения с изменением длины волны было проведено в 1923г. Комптоном.

Содержание слайда: Образование электрон-позитронных пар При достаточно высокой энергии γ-кванта наряду с фотоэффектом и эффектом Комптона может происходить третий вид взаимодействия – образование электрон-позитронных пар. Возможность такого процесса была обнаружена в 1928г. Дираком в результате анализа релятивистского квантовомеханического уравнения для электрона. Данный процесс не может происходить в вакууме, а требует обязательного соседства ядра или электронов. Непосредственно это следует из законов сохранения энергии и импульса. В присутствии ядра или электрона процесс образования пары возможен, так как можно распределить энергию и импульс γ-кванта между тремя частицами без противоречия с законами сохранения. При это если процесс образования пары идёт в кулоновском поле ядра или протона, то энергия образующегося ядра отдачи оказывается весьма малой, так что пороговая энергия γ-кванта Ео, необходимая для образования пары, практически совпадает с удвоенной массой покоя электрона:

Содержание слайда: Общий характер взаимодействия γ-излучения с веществом При рассмотрении взаимодействия γ-квантов со средой необходимо учитывать все три процесса: фотоэффект, эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар. Суммарное сечение для них:

Содержание слайда: Литература К.Н. Мухин. "Экспериментальная ядерная физика" (в трех томах), СПб., Издательство Лань,. 2008; Ю.М. Широков и Н.П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972 Основная; Фрауэнфельдер Г. Субатомная физика. - М.: Мир, 1979; Введение в физику тяжелых ионов: Учебное пособие / Под. ред. Ю.Ц. Оганесяна. М.: МИФИ, 2008; Ракобольская И.В. Ядерная физика. - М.: Изд-во Моск.ун-та, 1981; nuclphys.sinp.msu.ru/chpartint/index.html А.М. Анохина, В.И. Галкин, Е.А. Мурзина. Материалы спецкурса: Взаимодействие заряженных частиц с веществом; mtk.jinr.ru Ю.В. Готт Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. М. Атомиздат. 1978.