10 фактов о взаимодействии частиц с веществом

Владислав Сыщенко,
доктор физ-мат. наук, Белгородский государственный университет
«Троицкий вариант» №14(83), 19 июля 2011 года

Увидеть (задетектировать) элементарные частицы можно, только регистрируя результаты их взаимодействия с веществом. Знание процессов, сопровождающих прохождение частиц через вещество, необходимо не только для конструирования детекторов, но и 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. 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. 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 адронном коллайдере).
3. 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.
4. 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.
5. Выход тормозного излучения можно значительно увеличить, если заставить интерферировать, формируя резкие пики в спектре, электромагнитные волны, испускаемые при столкновениях электрона с отдельными атомами. Этого можно добиться, если пучок электронов высокой энергии направить на ориентированный определенным образом монокристалл. Меняя ориентацию кристалла, можно плавно менять положение максимумов, возникающих в спектре тормозного излучения.
6. 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. 1). За его открытие и теорию П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. М. Франк были удостоены Нобелевской премии — первыми среди отечественных физиков.

   Рис. 1. Голубое свечение в воде, охлаждающей ядерный реактор, — это черенковское излучение, порождаемое электронами, вылетающими при бета-распаде радиоактивных ядер. Фото с сайта ru.wikipedia.org

7. 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.
8. 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.
9. 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. 2). В некоторых случаях в организм вводят специальные контрастные вещества, содержащие атомы тяжелых элементов (йод, барий).

   Рис. 2. 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 меньше будет масса колонки вещества с основанием 1 см2, ослабляющей поток излучения данной энергии в e раз. Серой полосой отмечено «диагностическое окно» медицинской рентгенологии 50 кэВ ≤ hv ≤ 140 кэВ. Изображение: «Троицкий вариант»

10. Ионизационные потери особенно велики для медленных частиц, 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. 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. Изображение со страницы Cancer Therapy with Ion Beams

    Вопросы, затронутые в данном списке, представляются 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]. Устройству детекторов посвящены, например, популярные статьи на сайте elementy.ru (начать можно с [9]).

    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 всё о ядерном реакторе. — М., Энергоатомиздат, 1990.
    4. Passage of particles through matter (PDF, 426 Кб).
    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. Физические принципы детектирования элементарных частиц.