01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

download 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

of 15

Transcript of 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    1/15

    INTERACŢIUNEA PARTICULELOR ÎNCĂRCATE GRELE

    CU SUBSTANŢA 

    Din categoria particulelor încărcate grele fac parte: protonii (p), deuteronii (d), tritonii (t),

     particulele alfa (α), ionii grei, mezonii , alte particule elementare cu sarcină. 

    Particulele încărcate grele pot interacţiona cu substanţa în următoarele moduri:

    (1)  interacţiuni elastice cu electronii atomici,

    (2) 

    interacţiuni inelastice cu electronii atomici,

    (3) 

    interacţiuni elastice cu nucleele atomice,

    (4) 

    interacţiuni inelastice cu nucleele atomice.

    Interacţiunile cu electronii atomici au loc prin intermediul for ţelor coulombiene, în timp ce

    interacţiunile cu nucleele atomice se desf ăşoar ă prin intermediul for ţelor nucleare şi/sau coulombiene.

    Interacţiunile elastice se produc numai la energii mici; ele nu modifică energia cinetică a particulelor

    incidente, spre deosebire de cele inelastice care au ca rezultat micşorarea energiei cinetice a

     particulelor incidente. Interacţiunile cu nucleele atomice mai sunt denumite şi reacţii nucleare. Dintre

    cele patru tipuri de interacţiuni posibile amintite mai sus, predominate sunt interacţiunile inelastice cu

    electronii atomici, cunoscute şi sub denumirea de împr ăştieri coulombiene multiple pe electronii

    atomici.

    1 Secţiunea eficace de interacţiune 

    Probabilitatea de realizare a oricărui proces de interacţiune dintre o particulă  incidentă şi un

    atom (sau nucleu) ţintă este exprimată prin mărimea fizică numită sec ţ iune eficace de interac ţ iune, σ.

     Necesitatea introducerii unei astfel de mărimi rezidă din faptul că particula incidentă  interacţionează cu particula ţintă f ăr ă să se realizeze contactul fizic efectiv între ele. Ca urmare, conceptul de sec ţ iune

     geometrică, σg, aplicată cu succes în cazul ciocnirii a două bile din mecanica clasică, nu mai poate fi

    utilizat în fizica atomică şi sub-atomică (în general, σ >> σg).

    Pentru a defini secţiunea eficace de interacţiune, consider ăm un fascicul paralel de particule cu

    fluenţa Φ0  (particule/s) incident perpendicular pe un strat subţire de substanţă, de grosime dx, ce

    conţine n atomi (nuclee) identici în unitatea de volum (V 

     N n  ).

    1

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    2/15

    S φ0

    φ 

    σ  σ 

    σ 

    dx   

    Fig. 1: Fascicul paralel de radiaţii incident perpendicular pe un strat de substanţă de arie S şi grosime dx; cu σ s-

    a notat secţiunea eficace de interacţiune.

    Presupunem acum că  fiecare atom (nucleu) din stratul de substanţă  considerat poate fi

    caracterizat printr-o suprafaţă  efectivă  de interacţiune σ  (aceeaşi pentru toate particulele ţintă,

     perpendicular ă pe direcţia de deplasare a particulelor incidente), ca în Fig. 1.

    Procesele de interacţiune au loc numai pentru particulele care trec prin oricare din aceste

    suprafeţe efective de interacţiune. Celelalte particule nu vor suferi interacţiuni. Probabilitatea de

    interacţiune,  p, dintre o particulă  incidentă  şi atomul (nucleul) ţintă, este dată  de raportul dintre

    suprafaţa efectivă totală a ţintei şi suprafaţa ţintei:

    S  N dxn

    dxS n

    V n

     N  p  

        

         (1)

    în care

     N dxn N 

    S     (2)

    reprezintă numărul de atomi (nuclee) ţintă pe unitatea de suprafaţă a ţintei.

    Fasciculul incident conţine însă  Φ0  particule/s. Numărul de particule care participă  la

    interacţiuni (în unitatea de timp) este:

    S  N  p N       00int   (3),

    de unde rezultă:

    S  N 

     N 

    0

    int    (4),

    sau

    2

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    3/15

     N  N 

    /

    /

    0

    int

      . (5).

    Ultimele două relaţii definesc, la modul general, secţiunea eficace de interacţiune:

    (a) 

    Secţiunea eficace de interacţiune reprezintă numărul de procese de interacţiune ce au loc în

    ţintă într-un anumit interval de timp, raportat la produsul dintre numărul de particule incidente

    (în acelaşi interval de timp) şi numărul de atomi (nuclee) ţintă din unitatea de volum a ţintei;

    (b) 

    Secţiunea eficace de interacţiune reprezintă raportul dintre numărul de procese de interacţiune

     per atom (nucleu) ţintă şi numărul de particule incidente pe unitatea de suprafaţă a ţintei.

    Secţiunea eficace de interacţiune are dimensiunea unei suprafeţe, unitatea de măsur ă  în sistemul

    internaţional de unităţi fiind m2  ( ). Pentru că  aceasta este o unitate de măsur ă  mult prea

    mare, în practică se utilizează barnul :

    2mSI   

    1 b = 10-28 m2 = 10-24 cm2.

    2 Împrăştierile coulombiene multiple ale particulelor încărcate grele

    pe electronii atomici

    Împr ăştierile coulombiene multiple ale particulelor încărcate grele pe electronii atomici sunt

     procese colizionale (ciocniri) cu transfer de energie de la particulele incidente la electronii atomici. Ca

    urmare, electronii atomici sunt fie expulzaţi din atom (ionizare), fie trec pe un nivel de energie mai

    mare (excitare). Putem spune că  efectele asupra substanţei induse de procesele colizionale ale

     particulelor încărcate grele sunt: excitarea şi ionizarea atomilor/moleculelor substanţei. Pierzând

    energie, particulele incidente sunt încetinite în substanţă  şi, în cele din urmă  se vor opri. Distanţa

    str ă bătută  de particulele încărcate în substanţă  se numeşte  parcurs maxim  şi este o caracteristică 

    importantă  a acestor particule. Transferul (pierderea) de energie, excitarea şi ionizarea, parcursul în

    substanţă  sunt noţiuni fizice ce caracterizează  toate particulele încărcate: grele şi uşoare (electroni,

     pozitroni) (vezi capitolele 4 şi 5).

    2.1 Pierderea de energie pe unitatea de parcurs: formula Bethe-Bloch

    Pierderea de energie prin procese colizionale a fost studiată mai întâi de Bohr, între anii 1913

    şi 1915, apoi de către Bethe, Möller şi Bloch. Pentru particulele încărcate grele, expresia analitică  a

     pierderii de energie, prin procese colizionale, pe unitatea de parcurs, este cunoscută  sub numele de

    formula Bethe-Bloch.

    Pentru deducerea acesteia, vom calcula mai întâi energia pierdută  de particula încărcată incidentă la o singur ă interacţiune cu un electron atomic.

    3

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    4/15

    Fie o particulă  încărcată grea, cu sarcina  ze, care se deplasează cu viteza v spre un electron

    atomic, de masă me şi sarcină e.

    Se fac următoarele aproximaţii:

    (1) electronii atomici se consider ă în repaus;

    (2) deşi for ţele coulombiene au rază  lungă  de acţiune, se consider ă  că  interacţiunea are loc numai

    atunci când particula încărcată se apropie de electronul atomic la o distanţă comparabilă cu parametrul

    de ciocnire, b (vezi Fig. 2).

    Fig. 2: Ciocnirea dintre o particulă încărcată grea şi un electron atomic (considerat în repaus).

    Ca rezultat al interacţiunii particulei încărcate grele cu electronul, acesta din urmă primeşte un

    impuls perpendicular pe direcţia de deplasare a particulei:

       2

    1

    dt  F  p . (6)

    În virtutea aproximaţiei (2), interacţiunea devine efectivă  numai pe por ţiunea de drum egală  cu 2b,

    astfel încât intervalul de timp în care are loc interacţiune poate fi aproximat prin:

    v

    bt t t 

    212   . (7)

    For ţa coulombiană ce acţionează asupra electronului în intervalul de timp Δt se aproximează apoi prin:

    2

    2

    04

    1

    b

     ze F 

      . (8)

    Din expresiile (6) şi (8) rezultă:

    bv

     ze

    v

    b

    b

     zet  F  p

    2

    02

    2

    0

    2

    4

    12

    4

    1

         . (9)

    Energia cinetică corespunzătoare acestui impuls, energie pe care o preia electronul (egală cu energia

    cinetică pierdută de particula încărcată, - ΔT), este:

    T bvm

    e z 

    mvb

     ze

    m

     p E 

    eee

     

      

     

     

      

     

     

    22

    422

    022

    222

    0

    2 12

    4

    1

    2

    1)2(

    4

    1

    2     , (10)

    în care s-a notat cu T   energia cinetică  a particulei încărcate. Semnul “-” exprimă  scăderea energiei

    cinetice a particulei incidente (T 2 < T 1).

    v

    2b 

    b

    me

     M  >> me 

    4

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    5/15

    După  cum se poate observa, energia pierdută  de particula încărcată  incidentă  este invers

     propor ţională cu pătratul parametrului de ciocnire ( E  ~ 1/b2). Rezultă că la parametri de ciocnire mari,

    se pierde foarte puţină energie; cu cât parametrul de ciocnire scade, cu atât energia cinetică pierdută 

    creşte (puternic). Altfel spus, pentru o particulă  incidentă  cu v  şi  z   dat, energia  E   = - ΔT   cedată 

    electronului atomic depinde de parametrul de ciocnire.

    db

    b

    Fig. 3: Parametrii geometrici necesari pentru calculul secţiunii eficace diferenţiale de interacţiune per electron.

    Secţiunea eficace diferenţială per electron pentru o energie pierdută    dE  E  E  E      , (vezi Fig.

    3),

    dE dE 

     E d  E d 

    )()(   

         

    se obţine uşor ţinând cont de faptul că  dbb E d         2)( .

    Din expresia (10) rezultă 

     E vm

    e z b

    e

    1

    )4(

    222

    0

    422

     ,

    astfel încât, prin diferenţiere, obţinem:

    2

    2 E 

    dE const bdb .

    În final,

    222

    0

    42

    )4(

    2)(

     E 

    dE 

    vm

    e z  E d 

      , (11)

    sau

    22

    22

    022)(

     E 

    dE cmr  z  E d    e

         , (12)

    în care s-au f ăcut următoarele înlocuiri:

    cv /   , cu c – viteza luminii în vid,

    dx

    d σ ( E )

    5

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    6/15

    r 0 = 20

    2

    4   cm

    e

     = 2,8179 x 10-15 m - raza clasică a electronului.

    În continuare, trebuie ţinut cont de acţiunea tuturor electronilor pe care particula încărcată 

    incidentă  îi întâlneşte în drumul său prin substanţă. Se va obţine o expresie de calcul a energiei

    cinetice medii pierdute de particula încărcată, prin procese colizionale, pe unitatea de parcurs. Prin

    definiţie, aceasta este puterea de oprire colizional ă:

    c

    cdx

    dT S   

     

      

      . (13)

    Expresia analitică a puterii de oprire colizionale pentru particulele încărcate este chiar relaţia Bethe-

    Bloch pe care ne-am propus s-o deducem în acest paragraf.

    Pentru început vom considera toate ciocnirile pe care o particulă  încărcată grea le sufer ă  cu

    toţi electronii situaţi în pătura cilindrică de volum

    dx E d dxdbbV d    )(22      (14)

    unde )( E d    este dată de expresia (12) (vezi Fig. 3).

    Concentraţia volumică a atomilor din pătura cilindrică esteV d 

     N n

    v 2 , cu N  = numărul total de

    atomi. Dacă ne limităm la o substanţă uni-elementală (ce conţine un singur element chimic cu numărul

    atomic Z ), atunci numărul total de electroni din pătura cilindrică de volum este:V d 2

    V  Zd n N  Z  N ve

    2 . (15)

    Energia totală  pierdută  de particula încărcată  incidentă, prin procese colizionale, în volumul de

    substanţă  va fi:V d 2

    dx E d  Z n E  N  E  E vetot    )(    (16)

    cu )( E d    dat de (12).

    Puterea de oprire colizională  se obţine integrând expresia (16) pe întreg volumul

    dx E V    )(    şi împăr ţind la dx, conform definiţiei (13). Ţinând cont de faptul că  integrala după 

     parametrul de ciocnire (raza cilindrului considerat în Fig. 3) poate fi înlocuită  prin integrala după 

    energia cinetică pierdută  E  (dată fiind dependenţa discutată mai sus), vom obţine:

        

     

     max

    min

    max

    min

    2

    22

    022

     E 

     E 

     E 

     E 

    v

    e

    c

    c E 

    dE const 

     E 

    dE  Z n

    cmr  z 

    dx

    dT S 

        , (17)

    min

    maxln E 

     E const S 

    c    (18)

    Energia pierdută  de către particula încărcată  incidentă  este deci limitată  de către o valoare maximă 

     E max şi o valoare minimă  E min. Desigur, Emax nu poate depăşi energia cinetică T  a particulei incidente

    (aşa cum vom ar ăta în continuare, de fapt Emax 

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    7/15

    infinitezimale de energie sunt, în realitate, imposibile, deoarece sunt implicaţi electroni legaţi în atom.

    Aceştia nu primesc decât cantităţi finite de energie, adică valori care le permit să treacă de pe un nivel

    energetic pe altul (vezi Fig. 4). La energii mai mari, electronii pot fi expulzaţi din atom.

    Ionizări 

    Stăriexcitate 

     Niveluriocupate 

     E 1

     E 5

     E 4

     E 3

     E 2

    Fig. 4: Tranziţii posibile într-un sistem atomic sau molecular.

    Energia maximă transferată de către particula încărcată grea electronului atomic, la o singur ă 

    ciocnire, poate fi calculată utilizând legile de conservare a energiei cinetice şi impulsului:

    222 )'(2

    1)'(

    2

    1

    2

    1ee

      vmv M  Mv   , (19)

    eevm Mv Mv ''   (20)

    în care v’  şi reprezintă viteza particulei încărcate grele şi, respectiv, a electronului după ciocnire.

    Din ultima relaţie rezultă  şi înlocuind în (19) rezultă:

    ev'

     M vm Mvvee /)'('  

      22 )'(2

    1

    2

    )'(

    2

    1ee

    ee vm M 

    vm Mv Mv  

    , (21)

    2)'(2

    )('

      e

    ee

    ee  v

     M 

     M mmvvm

      ,

     M m

     Mvv

    e

    e

    2' . (22)

    Energia cinetică maximă a electronului va fi:

    2

    222

    max )(

    2

    2

    )'(

     M m

    v M mvm E 

    e

    eee

    . (23)

    7

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    8/15

    Ţinând cont de faptul că masa particulei încărcate grele este mult mai mare decât masa electronului ( M

    >> me), rezultă în final:

    T cmvm E ee

      222max 22     . (24)

    Reamintim că v reprezintă viteza particulei încărcate grele iar me este masa de repaus a electronului (=

    0,511 MeV/c2 

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    9/15

     

    Interpretare

    Puterea de oprire colizională depinde de:

    (A) proprietăţile particulei încărcate (grele) incidente. Astfel:

     

    )( 2 z  f  , adică propor ţionalitate directă cu pătratul sarcinii electrice a particulei,S c 

       

      

     2

    1

    v f S 

    c; Sc este invers propor ţională cu pătratul vitezei particulei,

       propor ţionalitate lentă cu 2v  (sub logaritm).

    (B) proprietăţile mediului (substanţei) cu care particula încărcată interacţionează.

      )(   f  , adică propor ţionalitate directă cu densitatea mediului,S c 

     

     

     

     

     

    m

    c

     M 

     Z S  ; 5,0

    m M 

     Z , cu excepţia hidrogenului, pentru care 1

    m M 

     Z .

       propor ţionalitate lentă cu I 

    1 (sub logaritm).

    Calculul energiei medii de excitare, I , este o problemă complicată din fizica atomului. Pentru

    estimări rapide se pot utiliza formule semi-empirice. Astfel, cea mai simplă  (dar şi cea mai puţin

    exactă) formulă de calcul a parametrului I  este:

     Z  I      (31)

    în care eV (constanta lui Rydberg); în realitate5,13   difer ă  de la un element la altul

    ( eV). 14,8

    Alte formule de calcul, mai exacte, sunt:

    9.016   Z  I     (eV), (32)

    19,08,5873,9     Z  Z  I   (eV), pentru . (33)13 Z 

    Valorile experimentale ale energiei medii de excitare, pentru câteva elemente chimice, sunt date în

    Tabelul 1.

    Pentru compuşi chimici poate fi utilizată expresia

    i

    ii

    i

    iii

     Z n

     I  Z n

     I 

    lnln (34)

    în care ni = N i /V  reprezintă concentraţia volumică a atomilor de tipul “i”:

    i

    im

    i M 

     Z n    

     

      

      . (35)

    9

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    10/15

    Tabelul 1: Valori experimentale ale energiei medii de ionizare (date preluate din ICRU Report 35 / Tabelul

    2.1a) 

    Elementulchimic

     I  (eV)Densitateaρ (g/cm3)

    Hidrogen (1H) 18,9 8,375 · 10-5

    Heliu (2He) 41,8 1,663 · 10-4 Beriliu (4Be) 63,7 1,85Carbon (6C) 78,0 2,25

    *

    Azot (7 N) 82,0 1,165 · 10-3 

    Oxigen (8O) 95,0 1,332 · 10-3 

    Aluminiu (13Al) 166 2,70Siliciu (14Si) 173 2,33Fier (26Fe) 286 7,87Cupru (29Cu) 322 8,96Wolfram (74W) 727 19,30Plumb (82Pb) 823 11,35Uraniu (92U) 890 18,95

    *

     densitatea grafitului

    2.2 Transferul liniar de energie 

    Transferul liniar de energie (TLE) este un concept strâns legat de puterea de oprire colizional ă 

    (S c). El poate fi interpretat ca o putere de oprire colizională restrânsă, deoarece, prin definiţie,

     

     

     

      

        E dx

    dT 

     L c ,TLE . (36)

    Unitatea de măsur ă  în S.I. este  J /m, însă, din motive de ordin practic, de multe ori se utilizează 

    unitatea keV/ m.

    Condiţia impusă  de definiţia TLE (    E  ) este ca energia transferată  ( E ) de particula

    încărcată electronilor atomici să aibă o limită superioar ă  (parametru de tăiere).

    De ce a fost necesară introducerea unei astfel de mărimi?

    Pentru a r ăspunde la întrebare să  precizăm mai întâi faptul că  obiectivul analizei interacţiunii

    radiaţiilor ionizante cu substanţa constă  în înţelegerea legăturii dintre efectele iradierii asupra

    substanţei şi cauzele acestor efecte (chiar interacţiunile amintite!). TLE se deosebeşte de puterea de

    oprire colizională prin faptul că este o mărime definită din punctul de vedere al substanţei iradiate şi

    nu din punct de vedere al radiaţiei incidente. Aceasta deoarece, impunând un parametru de tăiere

    adecvat, reţinem doar procesele locale, în care energia este absorbită  doar în volumul elementar

    considerat (dv), eliminând fracţiunea de energie transferată  electronilor energetici (electroni ),

    capabili ei înşişi să producă ionizări ulterioare (Fig. 5). Electronii , care-şi cedează energia departe de

    traiectoria particulelor incidente nu contribuie la TLE, deşi contribuie la puterea de oprire colizională.

    10

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    11/15

    În concluzie, prin faptul că exclude radiaţiile  (energia electronilor delta este, de obicei,

    mai mare de 100 keV).

    cSTLE 

     

    Proces de ionizareProces de excitare 

    Particulă incidentă 

    Excitări şi ionizări produse de electronii  

    Fig. 5:  Ilustrare grafică  a proceselor de excitare şi ionizare produse de o particulă  încărcată  de-a lungul

     parcursului său în substanţă; electronii  produc la rândul lor excitări şi ionizări ale atomilor (moleculelor) cu

    care interacţionează; ei cedează  însă  energia departe de traiectoria particulei incidente (procese nelocale, nu

    contribuie la TLE).

    TLE este o mărime importantă în radiobiologie, unde procesele locale pot fi, aşa după cum am

    mai amintit, la originea distrugerii celulelor vii (şi chiar al ADN -ului). TLE ajută  la diferenţierea

    radiaţiilor ionizante după gradul lor de periculozitate pentru organismul viu. Astfel, radiaţiile cu TLE

    mare (ioni grei, particule alfa, protoni, etc) produc, la aceeaşi doză  absorbită, efecte biologice mai

    importante decât particulele cu TLE mic (X, , electroni). Din acest motiv, particulele cu TLE mare

    sunt mai periculoase pentru ţesuturile vii decât cele cu TLE mic. TLE mare înseamnă, în ultimă 

    instanţă, mai multe excitări şi ionizări pe unitatea de parcurs (Fig. 6).

    În concluzie, TLE este o mărime fizică ce descrie calitatea radiaţiei ionizante de a ceda

    local energia substanţei iradiate, adică  de-a lungul traiectoriei sale. Particulele încărcate grele

    (ionii grei, particulele alfa, protonii, mezonii ) cedează multă energie pe unitatea de parcurs ceea ce

    înseamnă un TLE mare. Neutronii, cu toate că sunt particule indirect ionizante, au TLE mare datorită 

    faptului că  ionii de recul (particulele încărcate secundare) prin intermediul cărora are loc ionizarea

    substanţei, sunt particule încărcate grele cu TLE mare. Prin contrast, electronii (particule încărcate

    uşoare) cedează mai puţină energie pe unitatea de parcurs, având TLE mic. Spre exemplu, electronii

    cu energia de 1 MeV au TLE la intrarea în apă de aprox. 0,25 keV/ m, în timp ce particulele alfa cu

    aceeaşi energie au TLE = 200 keV/ m. Pe măsur ă ce energia electronilor scade, TLE creşte până la o

    valoare maximă după care scade brusc spre finalul parcursului.

    11

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    12/15

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    13/15

    valabilă în această formă simplă numai pentru viteze mari ale particulei incidente, adică în partea de

    început a parcursului.

    2.4 Expresia analitică a transferului liniar de energie 

    În forma sa cea mai simplă, expresia analitică a transferului liniar de energie este

    ),,,()2(

    )(2

    2

    2222

    02

     

      

        M  Z T C 

     McT T 

     McT 

     M 

     Z  N cmr  z  L

    m

     Ae     , (38)

    în care funcţia este dată de:),,,(    M  Z T C 

     

    2222

    2

    2222

    22

    )/()(2

    /

    )/()(

    /)2(2ln),,,(

     Mc McT 

    cm

    cm I  Mc

    cm McT T  M  Z T C    e

    e

    e  

         2)(

    )2(22

    2

     McT 

     McT T   (39)

    Pentru un parametru de tăiere

    222

    2max

    )2(2

     Mc

     McT T cme

      (40)

    se obţine expresia analitică a puterii de oprire colizionale (formula Bethe-Bloch dată de relaţia (30).

    În expresia (38) există patru categorii de factori suplimentari, de corecţie, care nu apar în formula

    Bethe-Bloch:

    (1)  factori ce implică parametrul de tăiere Δ;

    (2)  corecţii relativiste ce implică  energia cinetică  (T ) şi energia de repaus ( Mc2) a particulei

    incidente;

    (3)  corecţia relativistă pentru efectul densităţii, δ;

    (4)  corecţia pentru păturile electronice, λ .

    Aplicarea corecţiilor amintite mai sus conduce la valori numerice ale transferul liniar de energie foarte

    apropiate de cele experimentale (cu abateri de maxim 1%). O precizie mai puţin bună se obţine doar în

    limita vitezelor foarte mici ( .)001,0/2

     McT 

      Corecţiile relativiste din expresia (39) conduc, în general, la creşterea pierderii de energie pe

    unitatea de lungime, atunci când particulele încărcate incidente au energii mari. Pe lângă  bine-

    cunoscutul efect al creşterii masei particulei cu viteza, un alt efect relativist important îl constituie

    contracţia Lorentz a câmpului electric al particulei, fapt ce conduce la aşa-numitul “efect al densităţii”

    (termenul δ). Corecţia pentru efectul relativist al densităţii apare ca rezultat al polarizării mediului din

     jurul particulei încărcate incidente, fapt ce tinde să ecraneze sarcina acesteia. Această corecţie este mai

    importantă pentru particulele încărcate uşoare (vezi paragraful 4.1) decât pentru particulele încărcate

    grele.

    13

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    14/15

      Corecţia pentru păturile electronice, λ , este necesar ă ca urmare a faptului că electronii sunt în

    mişcare continuă  în sistemele atomice şi moleculare, fapt ce nu a fost inclus în deducerea formulei

    Bethe-Bloch (30). Probabilitatea transferului de energie de la particula încărcată incidentă la electronul

    atomic se micşorează când acesta din urmă este în mişcare, iar deformarea orbitală creşte atunci când

    vitezele electronilor pe orbită  sunt comparabile cu viteza particulei incidente. Vitezele electronilor

    atomici depind de energia acestora, adică de nivelul energetic pe care pe care se situează. Deoarece

    nivelurile energetice sunt grupate în pături atomice (K, L, M, etc.), termenul λ  poate fi scris sub forma

    i

    i   Z C  /    (41)

    în care constantele C i sunt calculate pentru fiecare pătur ă atomică în parte (i = 1, pătura K; i = 2, pătura

    L, ş.a.m.d.); Z  = numărul atomic al substanţei. Corecţia pentru păturile atomice λ  duce la micşorarea

     puterii de oprire colizionale S c.

    3 Puterea de oprire colizională masică 

    Prin definiţie, puterea de oprire colizională masică (POCM) reprezintă raportul dintre puterea

    de oprire colizională  şi densitatea mediului în care are loc interacţiunea particulelor încărcate cu

    substanţa:

    c

    c

    dx

    dT S  

      

         

     

      

         Kg 

    m J  2. (42)

    În practică:

     

     Kg 

    m MeV  S c2

     

    . Valorile puterilor de oprire colizionale masice se găsesc tabelate în

    căr ţi de specialitate, pentru diferite particule încărcate în interacţiune cu diverse medii (vezi, spre

    exemplu, Anexa 3).

    Avantajele utilizării puterii de oprire colizionale masice rezidă în independenţa de densitate a

    acestei mărimi ( )(/         f S c

      ), aşa cum se poate constata împăr ţind la densitate relaţia (30)). Ca

    urmare: (a) puterile de oprire colizionale masice nu mai depind de starea de agregare a substan ţei; (b)

    valorile puterilor de oprire colizionale masice se modifică puţin atunci când se trece de la o substanţă 

    la alta (r ămâne dependenţa de  Z/M m). Acest fapt permite utilizarea metodei extrapolării pentru

    determinarea valorilor POCM pentru un mediu oarecare, pe baza valorilor cunoscute ale POCM pentru

    un mediu dat:

    22

    11

     

      

     

     

      

     

     

      

     

     

      

     

    m

    c

    m

    c

     M 

     Z S 

     M 

     Z S 

      

        (43)

    de unde rezultă, spre exemplu,

    14

  • 8/17/2019 01_Interactiunea Particulelor Incarcate Grele

    15/15

    12

    2

    2)/(

    )/( 

      

     

     

      

     

        

    c

    m

    mc   S 

     M  Z 

     M  Z S   (44)

     presupunând că pentru mediul (2) nu se cunosc valorile POCM. Rezultatele sunt cu atât mai bune cu

    cât valorile numerelor atomice sunt mai apropiate între ele (elemente chimice vecine).

    În situaţia în care se doreşte calcularea POCM pentru o substanţă  alcătuită  din mai multe

    elemente chimice, se poate utiliza regula de sumare a lui Bragg :

    ii

    c

    i

    c   S S     

      

     

       

      ; i  = 1, 2,…, n  (45)

    unde εi reprezintă ponderea masică a elementului “i” din substanţa respectivă. Spre exemplu, pentru

    apă, vom scrie:

    .9

    8

    162

    16)(;

    9

    1

    162

    12)(

    ;)()(

    22

    22

    22

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    O H 

    S O

    S  H 

    O

    c

     H 

    c

    apa

    c

      

      

     

      

     

         (46)

    15