6.1.2 带电粒子与物质原子的碰撞过程在线视频

下面我们来具体看一下

带电粒子与物质相互作用过程

损失能量的一个情况

我们说带电粒子与物质的相互作用

我们可以看成是

带电粒子与物质原子的

一个碰撞过程

当然这个物质原子

又可以分为原子中的电子

或者原子核

既然是一个碰撞过程

我们就可以把它分解为

弹性碰撞或者非弹性碰撞

根据这个能量守恒定律

我们可以列出来

碰撞前和碰撞之后的

能量关系来

这个是碰撞前的总动能

这是碰撞后的总动能

当然这个是碰撞前后的动能的

一个差异项

我们把它称为内能项

根据这个内能项是否等于0

我们就可以判断

它是一个弹性碰撞

还是一个非弹性碰撞

如果ΔE=0

那么这个碰撞过程呢

就是一个弹性的碰撞过程

也就是说这个碰撞过程

是一个动能守恒的过程

如果ΔE不等于0呢

就是一个非弹性碰撞的过程

这个过程里面

显然动能是不守恒的

当然ΔE不等于0

又可以分为ΔE>0

或者ΔE<0

ΔE>0是一种常见的情况

我们把它称为第一类的

非弹性碰撞

例如入射粒子

与处于基态的原子碰撞

使得这个原子激发了或者电离了

那么这种情况

就是一个第一类的非弹性碰撞

ΔE<0第二类的非弹性碰撞

例如入射粒子

与一个处于激发态的原子碰撞

碰撞的过程

使这个处于激发态的原子退激了

那么就叫第二类的非弹性碰撞

第二类非弹性碰撞

在我们探测器里面也有使用

后面我们讲到像GM管等等

这个时候会看到

那我们看一下这个带电粒子

在靶物质中的慢化过程

也就是能量损失的过程里面

它所发生的几种碰撞

我们说入射带电粒子

通过所带的电荷与

原子中的轨道电子

或者是原子核发生的

是一个库仑的相互作用

我们把这个相互作用

称为是一个碰撞

所以大家会看到

这个碰撞其实跟我们宏观上的

说两个小球的碰撞还是不一样的

也许这个入射带电粒子和电子之间

完全没有一个接触

但是它们通过库仑力

还是发生了碰撞

在这个碰撞的过程里头

入射带电粒子会损失一部分能量

电子或者原子核会得到一部分能量

这样的话入射带电粒子

在这个相互作用的过程里面

它会逐渐的

损失能量减慢速度

所以也可以称为是一个慢化的过程

例如我们说入射带电粒子

在与电子的一次碰撞里面

电子能够获得的最大能量

我们可以有这样的一个公式去描述它

这个可以大家自己去推算一下

一个入射的带电粒子

它的质量是m 能量是E0

电子它的质量是m0

你可以认为它是一个自由电子

在这个碰撞的过程里头

你看一下电子能获得

最大能量是多少

当然是能量守恒动量守恒的一个过程

例如如果入射的是一个质子

那我们知道质子和电子

质量之比差不多有2000

这样的一个量级

所以我们说当入射的是质子的时候

它每次碰撞损失的最多能量

就是和电子的碰撞损失的最多能量

也只有1/500

这个意思是描述就是说

当一个重带电粒子

通过物质的时候

它要发生多次碰撞

才能把能量损失完

绝对不是一次碰撞

就能把能量损失完的

也就是说碰撞的过程

是持续的多次的一个过程

当然有的同学可能会问

如果入射的是一个电子的话

它通过这样一个公式去计算

那不是说

一次就把能量都损失完了吗

不过大家可以想一想

电子和电子的碰撞

它虽然一次可以把所有的能量

交给被它碰撞的那个电子

但是被碰撞的那个电子

得到了它的全部能量

它依然还是一个

带有那么多能量的电子

所以这个过程其实相当于是

没有能量损失的一个过程

那么具体的来说

我们可以把这个慢化过程分为4种

前两种是一个非弹性碰撞的过程

第一种我们指的是

带电粒子与靶物质原子中

轨道电子的非弹性碰撞过程

在这个碰撞的过程里头

使得原子被电离或者激发了

第二种情况是带电粒子

与靶原子核的一个非弹性碰撞过程

在这个碰撞的过程里头呢

会往外辐射电磁波

我们叫轫致辐射的一个过程

那么后面两种碰撞的过程

都是弹性碰撞过程

一个是原子核的弹性碰撞

一个是与轨道电子的弹性碰撞

对于能量损失来讲

我们说只有非弹性碰撞才是重要的

或者更主要的

后面的两种弹性碰撞的过程

对于能量损失来说

我们往往可以忽略掉它

我们来看第一种非弹性碰撞过程

就是电离损失

也就是说入射带电粒子

与轨道电子的一个非弹性碰撞的过程

在这个过程里头

它会引起介质原子的电离或者激发

当然电离描述的就是

轨道电子克服束缚成为自由电子

原子变成正离子的这样一个过程

激发指的是

轨道电子虽然还是被原子所束缚

但是它的轨道发生了变化

从一个内层轨道变成了外层轨道

在这个过程里面

其实原子是一个处于激发态的状态

它退激会发光

那么这两种情况呢

其实都是我们后面探测器

所能用到的现象

也就是说探测器往往利用的

就是电离或者激发这样的现象

最后把这样现象转化为信号的

例如气体探测器和半导体探测器

它利用到的就是电离的效应

那么电离产生的自由电子

和正离子或者自由电子和空穴

在电场的这种下

会运动就会形成信号

那么激发退激是我们后面要讲到的

闪烁探测器工作的一个原理

刚才也说过

入射带电粒子通过介质的时候

绝不是通过一次的相互作用

就能把能量损失完的

它在通过介质的时候

是通过多次

每次损失一点点能量

这样的一个过程

不断的往前走

不断的损失能量

最后可能把能量损失完

也可能没有损失完能量

就离开工作介质这样的一个情况

我们把入射带电粒子

与轨道电子发生非弹性碰撞

以这个使靶物质原子电离

或者激发这样的方式

损失能量的过程

称为电离能量损失的一个过程

也简称为电离损失

我们说电离损失

是带电粒子在物质中

损失动能的一个主要方式

这个图描述了像质子或者α粒子

通过介质的时候

这里面每一个点

描述了它的一次碰撞

就是产生电离或激发的情况

你可以看到

它在它的整个径迹上面

会产生多次的这种碰撞

产生多次的电离或者激发

我们再来看第二种非弹性碰撞

就是辐射能量损失

指的是与原子核的

一个非弹性碰撞过程

这个非弹性碰撞过程

我们说不是使原子核的能量状态

发生了变化

而是说

入射带电粒子的速度和方向

发生了一个变化

在这个变化的过程里面

它会伴随着往外辐射电磁辐射

我们也叫轫致辐射

通过这样的一个办法损失能量

我们叫辐射能量损失

我们可以用一张图去描述它

这是一个原子

中间是原子核

当入射的带电粒子

这里面我们描述的是一个电子

和原子核离得比较近

作用比较强烈的时候

那么电子的运动方向

和运动速度会有一个变化

在这个变化的过程里面

它会往外辐射电磁波

我们称为轫致辐射

也叫辐射能量损失

当然这个电子的能量会减少

这个就叫辐射能量损失

或者叫辐射损失

我们说β粒子或者快电子与物质

相互作用过程里面

辐射能量损失

是它重要的一种能量损失方式

也就是说对于重带电粒子来说

我们往往不去考虑

它的辐射能量损失

但是对于电子来说必须要考虑

我们再来看一下弹性碰撞

第一种叫核碰撞损失

也就是带电粒子与靶原子核的

一个弹性碰撞

在这个碰撞的过程里面

我们说总动能是不变的

因为它是弹性碰撞

在这个过程里面

入射带电粒子

只是运动的方向

或者速度有了些微的变化

在这个变化过程里头

它不往外辐射光子

但原子核的能量状态

也不会发生变化

在这种作用的过程里头

能量损失是非常小的

所以通常情况下我们

不做太多的考虑

在辐射探测里面不做太多的考虑

当然我们也要考虑到

就是说在这种过程里面

如果入射的带电粒子的质量很轻的话

有可能会引起它的一个

很大的这种方向

或者是角度的一个变化

例如入射的是一个电子的时候

那么可能会通过这种核碰撞损失

引起一个反散射

也就是说它的输运的方向会发生变化

所以你在考虑探测的时候

可以不去考虑核碰撞损失

但是如果你考虑的是一个

输运的过程或者强度的测量的时候

往往也是要考虑的

那我们再来看一下

带电粒子与轨道电子的弹性碰撞

当然这是一个入射带电粒子和轨道电子

通过库仑力的一个相互作用过程

在这个作用过程里头

入射粒子当然方向也会发生变化

但是它是一个能量动量守恒的过程

也就是说

在这个作用的过程里头

原子的状态并没有发生变化

所以这个能量转移是非常少的

所以通常情况下在探测里面

我们也不考虑这样的一个相互作用

我们说这种相互作用

只是在能量很低的像这种

β粒子或者快电子的时候

才需要考虑

那么这个是描述了带电粒子

与物质原子碰撞的几种过程

就是带电粒子能量损失的

几种不同的过程

这个里面要注意的是

带电粒子是通过库仑力

与介质原子核或者是轨道电子

发生相互作用

在这个作用的过程里面

去损失能量的

那么库仑力它是一个长程力

可以认为带电粒子

同时与多个原子核

和电子发生了相互作用

作用过程可以看作是一个碰撞的过程

我们说由于每次碰撞

可能引起的能量损失是比较小的

因此带电粒子是通过多次的碰撞

才能逐渐去损失能量的

而且只有非弹性碰撞才明显引起

带电粒子的能量损失

这节的内容就到这里