Тормозное излучение. 
Потери энергии на фотоядерные взаимодействия

Тормозное излучение — это электромагнитное излучение заряженной частицы, которое возникает в результате ее торможения при взаимодействии с электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов.

При возникновении излучения при кулоновском взаимодействии заряженных частиц с ядрами и электронами среды оно называется тормозным излучением и является причиной радиационных потерь энергии заряженной частицей.

Быстрые заряженные частицы кроме ионизационных потерь теряют энергию на взаимодействие с кулоновским полем ядер среды, через которую они движутся. При замедлении в кулоновском поле ядра часть их энергии испускается в виде фотонов.

В процессе ионизационного торможения энергия заряженной частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов среды, через которую она проходит.

Различие между ионизационными потерями и потерями энергии на тормозное излучение в том, что энергия, которая затрачивается на ионизацию, передается атомным электронам малыми порциями и быстро расходуется на тепловое движение атомов вещества, иными словами происходит нагрев вещества. Энергия в этом случае теряется безвозвратно.

При тормозном излучении фотон имеет большую вероятность унести энергию, сравнимую с энергией электрона. В этом случае энергия электрона как бы «перекачивается» к фотонам, а не теряется безвозвратно.

Таким образом, при торможении электрон может затормозиться сразу, образуя энергичный фотон, или плавно терять энергию, создавая много фотонов. Это обстоятельство приводит к сильным флуктуациям в радиационных потерях энергии.

В случае тяжелых нерелятивистских заряженных частиц удельные ионизационные потери описываются формулой Бете-Блоха:

(6).

где z и х — заряд и скорость движущейся частицы;

и е — масса и заряд электрона;

— число электронов в 1 см³ вещества;

I — средний ионизационный потенциал атомов поглощающего вещества, причем I = (13,5Z)1,610-¹² эрг, где Z — заряд ядер вещества.

Если заряженные частицы двигаются в веществе со скоростями, близкими к скорости света, то в формуле (2) появляются добавочные слагаемые:

(7).

где = х/с (с — скорость света).

Появление слагаемого ln (1-²) связано с тем, что при релятивистских энергиях возрастает величина максимальной энергии, передаваемой электрону, а появление слагаемого ² связано с лоренцевским изменением кулоновского поля, приводящим к передаче энергии более удаленным от траекториичастицы электронам.

Из формулы (7) видно, что с ростом энергиичастицы удельные потери на ионизацию сначала падают очень быстро (обратно пропорционально энергии), но по мере приближения скоростичастицы к скорости света, в соответствии с рисунком 2, уменьшение удельных потерь происходит медленнее, а, начиная с некоторой достаточно большой энергии частицы, dE/dx могут даже расти.

Рисунок 2 — Потери энергии на ионизацию в зависимости от энергиичастицы

Прямое рождение электрон-позитронных пар

Помимо потерь на тормозное излучение существуют дополнительные механизмы потерь энергии. Виртуальные фотоны могут образовывать электрон-позитронные пары в кулоновском поле ядер. Потери энергии в данном случае пропорциональны энергии.

Энергетический спектр прямо рожденных электрон-позитронных пар при больших передачах энергии более крутой, чем спектр тормозных фотонов, что является следствием того, что в частичных передачах высоких энергий доминируют процессы тормозного излучения.

Является следствием того, что в частичных передачах высоких энергий доминируют процессы тормозного излучения.

Потери энергии на фотоядерные взаимодействия

Заряженные частицы могут неупруго взаимодействовать через виртуальные частицы-переносчики (в данном случае фотоны) с ядрами поглотителя, и при этом терять энергию (ядерные взаимодействия).

Так же как и в случае потерь энергии на тормозное излучение или прямое рождение электрон-позитронных пар, потери энергии на фотоядерные взаимодействия пропорциональны энергии частицы.