Механизмы потери (передачи) кинетической энергии

Атом, молекула

1. Заряд электрона e – элементарный отрицательный электрический заряд; в единицах системы СИ e = 1,6×10^-19 Кл;

2. Заряд ядра Z (порядковый номер элемента в периодической таблице) определяется числом протонов в ядре; равен числу электронов в атоме; выражается в единицах элементарного заряда (+Z×e).

3. Масса частиц выражается в атомных единицах массы: 1 а. е. м.= 1,6606·10^-27 кг

Масса покоя электрона m₀ » 9,11×10^-31 кг » 5,49×10^-4 а.е.м.;

масса нейтрона = 1,008 @ 1,0 а.е.м., т.е. в 1836 раз больше m₀

4. Радиус ядра R = g₀А^⅓ (А – массовое число; g₀ = (1,2¸1,4) ×10^-15 м)

R_Al = 3,9×10^{-15 м = 3,9}×10^-5Å; R_Pb = 8×10^-15 м = 8×10^-5Å (1Å =0,1 нм = 10^-10 м)

5. Межъядерное расстояние (длина химической связи). Расстояние r между центрами атомов в молекулах газообразных (жидких) веществ или в кристаллической решетке твердых тел, как правило, от 1 Å до 3 Å, т.е. примерно в 30000¸60000 раз

больше радиуса ядра. Например, в молекуле H₂O r_H-O = 0,95 Å; в структуре a-Fe r_Fe-Fe = 2,86 Å. Для последнего случая

6. Электронная плотность вещества (n_e). В 1 см³ газа содержится 10²⁰¸10²¹ электронов (для воздуха n_e = 3,9×10²⁰ см^-3); в 1 см³ жидкого или твердого вещества - 10²³¸10²⁴ электронов (для воды n_e = 3,3×10²³ см^-3, для свинца n_e = 2,8×10²⁴ см^-3).

7. Единица измерения энергии в системе СИ «джоуль» (Дж). Вместе с тем во многих разделах химии и физики широко используют внесистемную единицу «электрон-вольт» (1 эВ = 1,6·10^-19 Дж).

8. Энергия ионизации (E_I) – наименьшая энергия, необходимая для удаления электрона из атомной системы (атом, молекулы, ион), находящейся в основном (невозбужденном) состоянии. Минимальное значение E_I, соответствующее отрыву электрона внешней оболочки (валентного электрона) электронейтральной частицы, имеет величину от нескольких эВ (для металлов) до 10¸15 эВ (для большинства молекул).Удаление электронов внутренних оболочек требует значительно больших энергетических затрат, которые определяются энергией связи соответствующего электрона с ядром. В частности, энергия связи K-электрона в атомах кислорода, алюминия и свинца равна, соответственно, 538, 1567 и 88011 эВ.

9. Энергия диссоциации (разрыва химической связи) D составляет, как правило, несколько эВ. Например, для молекулы кислорода (O₂) D = 498 кДж/моль » 5 эВ; энергия разрыва одинарной связи C-C в органических соединения около 4 эВ.

Взаимодействие a-излучения с веществом

a-излучение – корпускулярное, непосредственно ионизирующее излучение.

Характеристика a-частиц: тяжелая заряженная частица (ядро атома гелия), её масса примерно в 7350 раз больше массы электрона. Скорость движения в веществе существенно меньше скорости света.

1. Заряд Z = + 2×e (e – заряд электрона)

2. Радиус R_a= 2·10^-15 м = 2·10^-5Å

3. Масса m_a = 4 а.е.м. = 7350 m₀ (m₀ - масса покоя электрона)

4. Энергия массы покоя m_ac² = 3755 МэВ

5. Кинетическая энергия E_a от 1,5 МэВ (¹⁴²Ce) до 11,7 МэВ (^212mPo)

6. Скорость движения v связана с кинетической энергией соотношением

E_a = m_ac² , где c – скорость света, (3.1)

Ea, МэВ	0,188	3,000	4,703	9,235	18,92
	0,01	0,04	0,05	0,07	0,10

Механизмы потери (передачи) кинетической энергии

Рассматриваются основные механизмы взаимодействия с веществом тяжелых заряженных частиц (протоны, ядра дейтерия, трития и т.п.) в нерелятивистской области энергий (b < 0,1) на примере a–частиц.

Основной механизм передачи энергии – неупругое взаимодействие с атомами и молекулами среды: ионизация и возбуждение атомов (молекул).

Электрон покидает атом, если переданная ему энергия (∆ E) превышает энергию ионизации E_I (ионизация, рис. 3.1а). Средняя кинетическая энергия выбитых электронов 100¸200 эВ, её максимальное значение

E_e,max. = 4(m₀/m_a)·E_a = 5,44·10^-4E_a (3.2)

В случае ∆ E < E_I электрон переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждение, рис. 3.1б). При ионизации атом также переходит в возбужденное состояние. Возбуждение (или ионизация) молекулы может привести к её диссоциации: O₂* ® O⁺ + O^-

Вероятность упругого взаимодействия (рассеяния на ядрах) гораздо меньше, чем процессов ионизации и возбуждения. Наглядным подтверждением этого является прямолинейность траектории движения a–частиц в веществе (рис. 3.3). Изломы на прямых треках, обусловленные рассеянием частиц на ядрах, наблюдаются крайне редко.

Ионизация среды

При движении через вещество a–частица непосредственно ионизирует большое число атомов (например, на 1 см пробега в воздухе, в зависимости от E_a, от 5000 до 10000), передавая при этом часть своей энергии (в среднем по100-200 эВ) выбитым электронам. Эти электроны (d-лучи) ионизируют в 3-4 раза больше атомов, чем сама a–частица. Таким образом, при взаимодействии a–излучения с веществом 70-80% ионов образуется за счет вторичных процессов.

При замедлении (уменьшении E_a до нескольких сотен кэВ) a-частица может захватить электрон среды, а затем потерять его при последующих столкновениях. Таким образом, a-частицы в конце пробега, прежде чем окончательно превратиться в атомы гелия, становятся попеременно то ионами He⁺, то атомами He.