2born (2born) wrote,
2born
2born

Category:

10 фактов о взаимодействии частиц с веществом

Откликаясь на призыв sergepolar (которому благодарен как за начальный импульс, так и за редактирование), опубликовал в газете "Троицкий вариант - Наука" популярную статью в жанре "10 фактов ...". Вот ссылка на номер газеты: http://trv-science.ru/83N.pdf

Здесь я привожу статью в более полной, авторской редакции:

Увидеть (детектировать) элементарные частицы можно, только зарегистрировав результаты их взаимодействия с веществом. Помимо конструирования детекторов, знание процессов, сопровождающих прохождение частиц через вещество, необходимо для понимания биологического действия ионизирующей радиации, проектирования защиты и создания новых источников излучения. Соответствующей проблематике уделили внимание многие выдающиеся ученые, в том числе Нобелевские лауреаты Н. Бор, Э. Ферми, Г. Бете, Ф. Блох, Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург (список можно продолжить в качестве домашнего упражнения :). Но эта тема близка не только ученым, но и каждому человеку, поскольку мы сталкиваемся с радиацией при медицинских обследованиях или при лечении, а также, увы, существует опасность радиоактивного заражения из-за техногенных катастроф или других неприятностей, связанных с техническими применениями радиоактивных веществ.

Перечислим базовые факты, которые помогут понять, как же различные частицы  (кванты электромагнитного излучения, нейтроны, электроны, тяжелые заряженные частицы – протоны, альфа-частицы и более тяжелые ядра) проходят через вещество и взаимодействуют с ним.

*  *  * 

1.      Основными процессами взаимодействия фотонов с веществом являются: фотоэлектрическое поглощение, рассеяние (когерентное и комптоновское), образование электронно-позитронных пар. В первых двух случаях фотоны взаимодействуют с атомными электронами, в третьем – с ядрами. Сечение всех этих процессов растет с ростом зарядового числа Z ядер атомов вещества. Поэтому наилучшим поглотителем фотонов являются тяжелые элементы (например, свинец).

2.      В медицинской рентгенографии энергия фотонов подбирается таким образом, чтобы излучение слабо поглощалось мягкими тканями (состоящими в значительной степени из воды) и сильно поглощалось костями (содержащими кальций) (рис. 1). В некоторых случаях в организм вводят специальные контрастные вещества, содержащие атомы тяжелых элементов (йод, барий).

Рис. 1. Интенсивность пучка фотонов в веществе ослабевает с глубиной по экспоненциальному закону:
I(x)=I0exp(-μx). На рисунке представлены массовые коэффициенты ослабления μ/ρ для фотонов различных энергий в воде, кости и свинце. Величина 1/μ показывает, какой путь надо пройти фотонам, чтобы интенсивность уменьшилась в e (приблизительно 2.718…) раз, ρ - плотность вещества. Чем больше величина коэффициента ослабления μ/ρ, тем шире (и короче) будет колонка из одного грамма вещества, которая будет ослаблять поток излучения данной энергии в e раз. Серой полосой отмечено «диагностическое окно» медицинской рентгенологии от 50 кэВ до 140 кэВ.


3.      Заряженные частицы, двигаясь сквозь вещество, «толкают» своим электрическим полем электроны среды, передавая им импульс и энергию. Это вызывает возбуждение и ионизацию атомов среды, поэтому такие потери энергии называются ионизационными. Именно ионизация среды лежит в основе большинства детекторов (начиная со счетчиков Гейгера и камер Вильсона и кончая современными многокомпонентными детекторами, работающими на Большом адроном коллайдере).




Рис. 2. Потери энергии при прохождении положительно заряженных мюонов через медь (с сайта http://pdg.lbl.gov ).


4.      Ионизационные потери особенно велики для медленных частиц (рис. 2), скорость которых близка к скорости атомных электронов. Поэтому ионизационное торможение частицы достигает максимума перед остановкой (так называемый брэгговский пик). На этом основана идея терапии опухолей тяжелыми частицами: подбирая нужным образом начальную энергию частиц в пучке, можно добиться того, чтобы частицы останавливались в опухоли, целенаправленно «выжигая» ее и нанося минимальный ущерб окружающим здоровым тканям (рис. 3).


Рис. 3. Доза, получаемая тканями при облучении рентгеновскими лучами и пучком ионов (изображение с сайта http://www.gsi.de/portrait/Broschueren/Therapie/information_e.html ). Идея лучевой терапии рака основана на повышенной чувствительности опухолей к радиации. Чтобы облучить опухоль, лежащую внутри тела пациента, необходимо использовать рентгеновское излучение с достаточно высокой проникающей способностью. Но такое излучение неизбежно создаст значительную дозу и в окружающих здоровых тканях. Напротив, пучок протонов (а еще лучше – многозарядных тяжелых ионов) создаст наибольшую ионизацию в брэгговском пике, который подходящим выбором начальной энергии можно поместить на глубину залегания опухоли (отмечена на рисунке зеленой полосой). Чтобы еще уменьшить дозовую нагрузку на здоровые ткани, можно облучать опухоль несколькими пучками с разных направлений.


5.      Нейтроны не имеют электрического заряда и практически не взаимодействуют с атомными электронами. Замедление нейтронов в веществе происходит при последовательных столкновениях с атомными ядрами. Передача энергии в таких столкновениях происходит тем эффективнее, чем ближе масса покоившейся частицы к массе налетающей. Поэтому лучшими замедлителями нейтронов являются водородосодержащие вещества, например, вода. Экранироваться от нейтронов свинцом бессмысленно.

6.      Сталкиваясь с ядрами атомов вещества, заряженные частицы испускают тормозное излучение. Интенсивность его (при прочих равных условиях) обратно пропорциональна квадрату массы налетающей частицы, поэтому радиационные потери энергии существенны, в основном, для электронов и позитронов.

7.      Выход тормозного излучения можно значительно увеличить, если заставить электромагнитные волны, испускаемые при столкновениях электрона с отдельными атомами, конструктивно интерферировать. Этого можно добиться, если пучок электронов высокой энергии направить на ориентированный определенным образом монокристалл. Меняя ориентацию кристалла, можно плавно менять положение этих когерентных максимумов в спектре тормозного излучения.




 Рис. 4. Спектр тормозного излучения электронов, падающих под малым углом к плоскости (011) кристалла алмаза (из статьи Внуков И.Е. // Изв. ВУЗов. Физика. Т. 45, № 9 (2002), с. 66). Красная штриховая линия соответствует спектру Бете-Гайтлера тормозного излучения в аморфной среде. Положение когерентных максимумов чувствительно к ориентации кристалла относительно пучка, что можно использовать для создания источника излучения, плавно перестраиваемого по частоте.



8.      Заряженная частица может порождать излучение и при равномерном движении, если она движется в прозрачной среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде. Такое излучение называют излучением Вавилова-Черенкова (рис. 5). За его открытие и теорию П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк были удостоены Нобелевской премии – первыми среди отечественных физиков.



Рис. 5. Голубое свечение в воде, охлаждающей ядерный реактор, - это черенковское излучение, порождаемое электронами, вылетающими при бета-распаде радиоактивных ядер (изображение с сайта http://ru.wikipedia.org ). Потери энергии частицы на черенковское излучение невелики, и вклад этого механизма в торможение частиц пренебрежимо мал. Однако, этот эффект оказался очень полезен для детектирования частиц - нобелевские премии зря не дают!


9.      Еще один механизм излучения при равномерном движении частицы связан с переходом через границу двух сред с различными диэлектрическими свойствами. Такое излучение называют переходным. Интенсивность переходного излучения, как и черенковского, не зависит от массы частицы, но, в отличие от черенковского, существенно зависит от ее энергии. Это расширяет возможности его использования как основы детекторов частиц.

10.      Заряженные частицы, движущиеся в монокристаллах, могут захватываться в каналы, образованные потенциалами атомных цепочек или плоскостей. Это явление каналирования может использоваться, в частности, для управления пучками частиц.

*  *  *


Вопросы, затронутые в данном списке, представляется автору тем более увлекательными, что рассмотрение любой из упомянутых задач требует привлечения самых разных разделов физики (впрочем, это справедливо для любой серьезной научной задачи). Для тех, кто захочет продолжить знакомство с предметом, можно порекомендовать дополнительные источники, рассчитанные на более или менее широкий круг читателей.

Глава, посвященная прохождению быстрых частиц в вещество, есть в любом стандартном учебнике ядерной физики, например, [1, 2], и даже в популярной книжке [3]. Более свежую информацию можно найти в регулярно обновляемом справочнике по физике элементарных частиц «The Review of Particle Physics» [4]. Стоит также отметить серию популярных статей, вышедших в свое время в «Соросовском образовательном журнале» [5-8]. Хорошая популярная статья о каналировании есть даже в ЖЖ [9]. Устройству детекторов посвящены, например, популярные статьи на сайте elementy.ru (начать можно с [10]).

Литература

  1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Том 1. – М., Энергоатомиздат, 1983.
  2. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М., Наука, 1980.
  3. Матвеев Л.В., Рудик А.П. Почти все о ядерном реакторе. – М., Энергоатомиздат, 1990.
  4. http://pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-passage-particles-matter.pdf
  5. Денисов С.П. Излучение «сверхсветовых» частиц (эффект Черенкова) // СОЖ, 1996, № 2, с. 89.
  6. Денисов С.П. Переходное излучение // СОЖ, 1997, № 3, с. 124.
  7. Денисов С.П. Ионизационные потери энергии заряженных частиц // СОЖ, 1999, № 11, с. 90.
  8. Денисов С.П. Отклонение заряженных частиц кристаллами // СОЖ, 1999, № 12, с. 84.
  9. http://antihydrogen.livejournal.com/11077.html
  10. http://elementy.ru/LHC/HEP/study/detecting

Tags: медицинская физика, наука, популяризация
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments