10 фактів про взаємодію частинок з речовиною

Побачити (задетектувати) елементарні частинки можна, тільки реєструючи результати їх взаємодії з речовиною. Знання процесів, що супроводжують проходження частинок через речовину, необхідне не тільки для конструювання детекторів, а й для розуміння біологічної дії іонізуючої радіації, проектування захисту і створення нових джерел випромінювання. Відповідній проблематиці приділили увагу багато видатних вчених, у тому числі нобелівські лауреати Н. Бір, Е. Фермі, Г. Бете, Ф. Блох, Л. Д. Ландау, В. Л. Гінзбург. Але ця тема близька не тільки вченим, а й кожній людині, оскільки ми стикаємося з радіацією при медичних обстеженнях або при лікуванні, а також, на жаль, існує небезпека радіоактивного зараження через техногенні катастрофи або інші неприємності, пов’язані з технічними застосуваннями радіоактивних речовин.

Перерахуємо базові факти, які допоможуть зрозуміти, як же різні частинки (кванти електромагнітного випромінювання, нейтрони, електрони, важкі заряджені частинки — протони, альфа-частинки і більш важкі ядра) проходять через речовину і взаємодіють з нею.

1. Основними процесами взаємодії фотонів з речовиною є: фотоелектричне поглинання, розсіяння (когерентне і комптонівське), утворення електронно-позитронних пар. У перших двох випадках фотони взаємодіють з атомними електронами, у третьому — з ядрами. Переріз усіх цих процесів зростає з ростом зарядового числа Z ядер атомів речовини. Тому найкращим поглиначем фотонів є важкі елементи (наприклад, свинець).
2. Заряджені частинки, рухаючись крізь речовину, «штовхають» своїм електричним полем електрони середовища, передаючи їм імпульс і енергію. Це викликає збудження та іонізацію атомів середовища, тому такі втрати енергії називаються іонізаційними. Саме іонізація середовища лежить в основі більшості детекторів (починаючи з лічильників Гейгера і камер Вільсона і закінчуючи сучасними багатокомпонентними детекторами, що працюють на Великому адронному колайдері).
3. Нейтрони не мають електричного заряду і практично не взаємодіють з атомними електронами. Уповільнення нейтронів у речовині відбувається при послідовних зіткненнях з атомними ядрами. Передача енергії в таких зіткненнях відбувається тим ефективніше, чим ближче маса частинки до маси, що налітає. Тому найкращими уповільнювачами нейтронів є водовмісні речовини, наприклад вода. Екрануватися від нейтронів свинцем безглуздо.
4. Стикаючись з ядрами атомів речовини, заряджені частинки випускають гальмівне випромінювання. Інтенсивність його (за інших рівних умов) назад пропорційна квадрату маси налітаючої частинки, тому радіаційні втрати енергії істотні, в основному, для електронів і позитронів.
5. Вихід гальмівного випромінювання можна значно збільшити, якщо змусити інтерферувати, формуючи різкі піки в спектрі, електромагнітні хвилі, що випускаються при зіткненнях електрона з окремими атомами. Цього можна домогтися, якщо пучок електронів високої енергії направити на орієнтований певним чином монокристал. Змінюючи орієнтацію кристала, можна плавно змінювати положення максимумів, що виникають у спектрі гальмівного випромінювання.
6. Заряджена частинка може породжувати випромінювання і при рівномірному русі, якщо вона рухається в прозорому середовищі зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість світла в цьому середовищі. Таке випромінювання називають випромінюванням Вавілова — Черенкова (рис. 1). За його відкриття і теорію П.А. Черенков, І.Є. Тамм і І. М. Франк були удостоєні Нобелівської премії — першими серед вітчизняних фізиків.

Ріс. 1. Блакитне світіння у воді, що охолоджує ядерний реактор, — це черенківське випромінювання, породжуване електронами, що вилітають при бета-розпаді радіоактивних ядер. Фото з сайту ru.wikipedia.org

7. Ще один механізм випромінювання при рівномірному русі частинки пов’язаний з переходом через кордон двох середовищ з різними діелектричними властивостями. Таке випромінювання називають перехідним. Інтенсивність перехідного випромінювання, як і черенківського, не залежить від маси частинки, але, на відміну від черенківського, істотно залежить від її енергії. Це розширює можливості його використання як основи детекторів частинок.
8. Заряджені частинки, що рухаються в монокристалах, можуть захоплюватися в канали, утворені потенціалами атомних ланцюжків або площин. Це явище каналювання може використовуватися, зокрема, для управління пучками частинок.
9. У медичній рентгенографії енергія фотонів підбирається таким чином, щоб випромінювання слабо поглиналося м’якими тканинами (що складаються значною мірою з води) і сильно поглиналося кістками (що містять кальцій) (рис. 2). У деяких випадках в організм вводять спеціальні контрастні речовини, що містять атоми важких елементів (йод, барій).

Ріс. 2. інтенсивність пучка фотонів у речовині слабшає з глибиною за експоненційним законом: I(x) = I₀exp(-μx). На малюнку представлені масові коефіцієнти ослаблення  /   для фотонів різних енергій у воді, кістці та свинці. Величина 1/   показує, який шлях треба пройти фотонам, щоб інтенсивність зменшилася в e (приблизно 2,718…) разів,   — щільність речовини. Чим більше величина коефіцієнта ослаблення  /  , тим менше буде маса колонки речовини з підставою 1 см², що послаблює потік випромінювання даної енергії в e раз. Сірою смугою відзначено «діагностичне вікно» медичної рентгенології 50 кЕв ­ hv ­ 140 кЕв. Зображення: «Троїцький варіант»

10. Іонізаційні втрати особливо великі для повільних частинок, швидкість яких близька до швидкості атомних електронів. Тому іонізаційне гальмування частинки досягає максимуму перед зупинкою (так званий брегівський пік). На цьому заснована ідея терапії пухлин важкими частинками: підбираючи потрібним чином початкову енергію частинок у пучці, можна домогтися того, щоб частинки зупинялися в пухлині, цілеспрямовано «випалюючи» її і завдаючи мінімальної шкоди навколишнім здоровим тканинам (рис. 3).

Рис, 3. Доза, отримувана тканинами при опроміненні рентгенівськими променями і пучком іонів. Ідея променевої терапії раку заснована на підвищеній чутливості пухлин до радіації. Щоб опухоль, що лежить всередині тіла пацієнта, необхідно використовувати рентгенівське випромінювання з досить високою проникаючою здатністю. Але таке випромінювання неминуче створить значну дозу і в навколишніх здорових тканинах. Навпаки, пучок протонів (а ще краще — багатозарядних важких іонів) створить найбільшу іонізацію в брегівському піку, який підходящим вибором початкової енергії можна помістити на глибину залягання пухлини (відмічена на малюнку зеленою смугою). Щоб ще зменшити дозове навантаження на здорові тканини, можна опухолю опухолю кількома пучками з різних напрямків. Зображення зі сторінки Cancer Therapy with Ion Beams

Питання, порушені в цьому списку, подаються автору тим більше захоплюючими, що розгляд будь-якого зі згаданих завдань вимагає залучення різних розділів фізики (втім, це справедливо для будь-якого серйозного наукового завдання). Для тих, хто захоче продовжити знайомство з предметом, можна порекомендувати додаткові джерела, розраховані на більш-менш широке коло читачів.

Розділ, присвячений проходженню швидких частинок у речовину, є в будь-якому стандартному підручнику ядерної фізики, наприклад [1, 2], і навіть у популярній книжці [3]. Більш свіжу інформацію можна знайти в регулярно оновлюваному довіднику з фізики елементарних частинок The Review of Particle Physics [4]. Варто також відзначити серію популярних статей, що вийшли свого часу в «Соросівському освітньому журналі» [5-8]. Пристрої детекторів присвячені, наприклад, популярні статті на сайті elementy.ru (почати можна з [9]).

Література:

1. Мухін К. Н. Експериментальна ядерна фізика. Том 1. — М., Енергоатомвидав, 1983.

2. Широков Ю.М., Юдін Н.П. Ядерна фізика. — М., Наука, 1980.

3. Матвєєв Л.В., Рудик О.П. Майже все про ядерний реактор. — М., Енергоатомвидав, 1990.

4. Passage of particles through matter (PDF, 426 Кб).

5. Денисов С.П. Випромінювання «надсвітових» частинок (ефект Черенкова )//^, 1996, № 2, с. 89.6

. Денисов С.П. Перехідне випромінювання//^, 1997, № 3, с. 124.7.

Денисов С.П. Іонізаційні втрати енергії заряджених частинок//^, 1999, № 11, с. 90.8. Де

нисов С.П. Відхилення заряджених частинок кристалами//^, 1999, № 12, с. 84.9. Фізичні

принципи детектування елементарних частинок.