Лекция 2 Ауыр бөлшектердің табиғаты

Затқа түскен сәулеленідің бір бөлігі заттан шағылса (альбедо), ал қалған бөлігі сол заттың өзінді шашырайды. Бөлшекиердің (протон, дейтрон, α-бөлшек, нейтрон) затпен өзара әсерлесуі олардың түріне, зарядына, массасына және энергиясына тәуелді. Зарядталған бөлшектер атомдық электрондармен өзара әсерлесе отырып – заттың атомын иондайды. Жоғарғы энергиялы бөлшектер затта тұрақтана отырып, иондарды туғызады және оларға өз энергиясын береді. Бөлшектердің заттармен өзара әсері, олардың мына сипаттамаларына тәуелді: тығыздық, заттың атомдық номері, заттың орташа иондаушы потенциалы.

Бөлшектің әрбір өзара әсерлесуі оның энергиясының жоғалуына және қозғалыс траекториясының өзгеруіне әкеледі. Е кинетикалық энергиясымен зат қабығынан өтетін жіңішке шоғырлы зарядталған бөлшектердің энергиясы заттан өткенде азаяды, энергия шығаруы артады. Көп мәрте шашыраудың есебінен шоғыр кеңейеді.

Ауыр бөлшектерге салмағы электрон салмағына 100 есеге дейін ауыр бөлшектер жатады. Жылдам зарядталған бөлшектер затта электрон қабықшасы және атом ядросымен өзара әсерлеседі. Зарядтардың соқтығысынан бөлшектердің электрлік өзара әсерлесуін түсінетін боламыз. Ядроның атомдағы алатын көлемі өте кішкене болғандықтан, ауыр бөлшектердің ялромен соқтығысы өте кездейсоқ. Сондықтан олар ауыр бөлшектердің затпен кедергіленуіне аз әсер етеді.

Жылдам зарядталған бөлшектермен өзара әсерлесуі нәтижесінде электрон қосымша энергия алынуы және жойылған ядрода бір энергетикалық деңгейге ауысады және мүлдем атомды тастап кетеді. Бірінші жағдайда – қозу, екіншіде – атомдық иондау. Атомдық ядроның төңірегінен өткен жылдам бөлшек оның электр өрісінде тежеледі. Зарядталған бөлшектердің тежелуі тежеулік рентген сәулеленулердің квантының түсірілуімен түсіріледі.

Қорыта айтқанда, зарядталған бөлшектер атомдық ядролармен серпімді және серпімсіз соқтығысуы мүмкін.

Аз заряды (z=1,2) ауыр бөлшектер заттан өткенде, заттың атомымен серпімсіз кулондық соқтығысуы нәтижесінде өздерінің энергияларын жоғалтады. Атомдармен серпімсіз соқтығысу атомдардың қозуын және иондалуын туғызады. Бұл процесті әрбір соқтығыста аз энергия шығындайтын, зарядталған бөлшектердің ақырындауын үздіксіз үрдіс ретінде қарастыруға болады және бөлшек өте аз бұрышқа ығысады.

Қарастырылған аумақ энергиясында зарядталған бөлшектердің энергиясының шығындалуы, ядродағы серпімді кулондық шашырау нәтижесі иондалған ядродан аз, зарядталған бөлшектер негізінен аз ықтималдылықпен үлкен бұрышқа шашырайды. Зарядталған бөлшектердің энергиясының жоғалу үрдісіндегі ядролық өзара әсерлесуі зарядталған бөлшектердің энергиясының жоғалу үрдісіндегі ядролық өзара әсерлесуі зарядталған бөлшектердің энергиясы кулон барьерінен жоғары және иондық шығын аз болғанда жоғарғы энергияда айтарлықтай үлес қоса бастайды. Графитте ақырындаған протондар үшін ядролық өзара әсерлесу 30 МэВ артық осы уақытта қорғасындағы ядролық өзара әсерлесу протондар үшін 200 МэВ артық энергияда мүмкін болса, α-бөлшектер үшін одан да үлкен энергияда. Осыдан шығатын, энергия 50 МэВ кем аумағында ауыр зарядталған бөлшектер үшін атомдар және ядролармен тек кулондық өзара әсерлесуін ғана қарастыруға болады.

Соқтығысу электрон қасынан ϑ жылдамдықпен қозғалады, q зарядты ауыр бөлшектің тежелуіне айтарлықтай әсер етпейді. Егер жылдамдық бөлшек жылдамдығынан аз болса, тыныштықтығы электронға кулон күші әсер етеді.

Кулондық күш γ радиусымен бағыттас. Оң зарядталған бөлшек электронды өзіне тартады, ол траектория бағытымен қозғала бастайды. Ауыр бөлшек салмағы электрон салмағынан өте ауыр болғандықтан, бөлшек электронмен соқтығысқанда өз қозғалысын траекториясынан ауытқымайды.

Ауыр бөлшектің электронмен соқтығысы кезіндегң энергетикалық шығыны.

Энергетикалық шығын бөлшек зарядының квадратына пропорционал. Бөлшектің электронмен өзара әсерлесу уақыты жылдамдығының артуымен, энергия шығыны бір соқтығысқа азаяды. Энергетикалық шығын бөлшек массасына тәуелді емес, сондықтан бөлшектің электрон мен соқтығысынан олардың электрлық өзара әсерлесуі түсіндіріледі. Минималды серпімсіз шығын атомдағы электрон қозуының энергиясын шектейді. Бөлшек электронға өз энергиясының үлесін бергенде, ол оны атомның қозған бір деңгейіне ауыстырады. Бірнеше соқтығыс параметрінен бастап Р>Р₀ , бөлшек тек бір электронмен ғана емес, толықтай бүкіл атоммен өзара әсерлеседі. Бұл жағдайда бөлшектің атоммен серпімді соқтығысы орын алады. атом қозатын немесе иондалатын максималды соқтығысу параметры. Р₀ реттік нөмірге z тәуелді, яғни атомдағы электронның байланыстық дәрежесіне тәуелді.