2. Процессы взаимодействия быстрых электронов с атомами вещества

Пролетая через атом, электрон взаимодействует с ядром и электронами атома. Имея большую скорость, электрон в большинстве случаев не успевает произвести заметных нарушений в структуре атома и не теряет энергии. Довольно редко (примерно в одном встречном атоме из сотни) взаимодействие приводит к изменениям в движении электрона. При этом возможны следующие процессы: 1) возбуждение атома, 2) ионизация атома, 3) тормозное излучение, 4) упругое рассеяние электронов.

Возбуждение и ионизация возможны вследствие передачи движущимся электроном небольших порций энергии атомным электронам. В зависимости от величины полученной им от свободного электрона энергии атомный электрон либо переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждение), либо вылетает за пределы атома (ионизация). Оба процесса приблизительно равновероятны и являются основными процессами, приводящими к торможению электронов.

При прохождении электрона вблизи атомного ядра возникает тормозное излучение. На электрон со стороны ядра в этом случае действуют большие кулоновские силы. Всякое ускоренное движение заряженных частиц сопровождается излучением квантов электромагнитной энергии. В данном случае за счет такого излучения энергия пролетающего через атом электрона уменьшается на величину энергии, уносимой квантом . Чем больше зарядовое число , тем сильнее кулоновское взаимодействие и больше потери электрона на тормозное излучение. Расчет показывает, что отношение потерь энергии за счет тормозного излучения к потерям за счет ионизации составляет

, где выражена в МэВ. (1)

Поскольку граничная энергия используемых на практике изотопов обычно не превосходит , то, как видно из формулы (1), для элементов с малым и средним числом потери энергии на тормозное излучение малы по сравнению с ионизационными потерями. Но для элементов с большим порядковым номером потери на тормозное излучение становятся заметными. Например, для свинца ( = 82) при , как следует из формулы (1), потери на тормозное излучение составляют 20% от ионизационных потерь.

Рассмотренные процессы, при которых происходит потеря энергии электрона, называют неупругими соударениями электрона с атомами. При каждом неупругом соударении электрон отдает очень небольшую часть своей энергии. В результате при прохождении через вещество электрон растрачивает свою энергию небольшими порциями, образуя большое количество ионов на своем пути и успевая пройти заметный путь в веществе до полной остановки. Ясно, что этот путь будет тем больше, чем больше энергия электрона. При неупругих соударениях электрон почти не изменяет направление своего движения.

Значительно реже, чем неупругие соударения происходят процессы упругого рассеяния электронов (рассеяния без потери энергии). Этот процесс происходит при прохождении электронов вблизи ядра. Электрическое поле ядра способно отклонить электрон от первоначального направления движения и тем сильнее, чем ближе от ядра оказался электрон. В результате путь электронов в веществе становится не прямолинейным, а зигзагообразным. Часть электронов в результате упругого рассеяния может изменить направление своего движения на обратное – отразиться от слоя вещества. Это явление называется обратным рассеянием электронов. Поскольку сила взаимодействия электрона и ядра пропорциональна порядковому номеру элемента , то ясно, что процесс рассеяния играет тем большую роль, чем больше.

Благодаря процессам ионизации и возбуждения быстрые электроны и другие заряженные частицы могут быть зарегистрированы с помощью сравнительно несложных приборов: газовых счетчиков, камеры Вильсона, сцинтилляционных счетчиков и др. Ионизация газа в газовом счетчике вызывает разряд, приводящий к появлению заметного импульса тока во внешней электрической цепи счетчика. В камере Вильсона цепочка ионов, возникающих на пути электрона, образует видимый след из-за конденсации на ионах пересыщенного пара. В сцинтилляционных счетчиках вспышка света, излучаемого возбужденными атомами, преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя.