Взаимодействие нейтронов с веществом

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер).

Если не считать очень слабого гравитационного взаимодействия, то известно три вида взаимодействия, в которых могут участвовать частицы: сильное (ядерное), электромагнитное и слабое. Из тех частиц, с которыми мы имели дело до сих пор (), в сильном взаимодействии участвуют нейтрон и протон, в электромагнитном - все частицы, кроме ν и , в слабом - все частицы, кроме γ-кванта.

Простейшим примером ядерного взаимодействия является сильное притяжение между нуклонами, находящимися на очень малых (~ см) расстояниях друг от друга внутри атомного ядра. В дальнейшем мы узнаем, что существуют и другие частицы (π и К-мезоны, гипероны, антинуклоны, антигипероны, нестабильные частицы или резонансы), которые также участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Переносчиками ядерного взаимодействия, т е. ядерными квантами, являются π-мезоны.

Ядерное взаимодействие - наиболее сильное взаимодействие в природе, отсюда и его название. Оно может проявляться как в форме процессов непосредственного взаимодействия (рассеяние на ядерных силах, ядерные реакции, т.е. захват одних частиц с образованием других), так и в форме процессов распада (распад резонансов). Сильные процессы непосредствен­ного взаимодействия характеризуются очень большими сечения­ми ( см²), а процессы распада - очень малыми вре­менами ( сек).

Большие сечения для процессов сильного взаимодействия приводят к тому, что сильновзаимодействующие (ядерно-активные) частицы при прохождении через среду эффективно выбывают из коллимированного пучка в результате процессов погло­щения и рассеяния.

Электромагнитное взаимодействие тоже относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно и слабее ядер­ного (что следует из существования стабильных ядер, содержа­щих одноименно заряженные протоны).

Переносчиками этого взаимодействия являются кванты элек­тромагнитного излучения, которые в зависимости от их происхождения и энергии называются фотонами, рентгеновским излучениемили γ-квантами, а также радиоволнами. Кванты электромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружаю­щим его электромагнитным полем.

Известно много форм проявления электромагнитного взаимодействия. Для заряженных частиц - кулоновское рассеяние, ионизационное торможение, радиационное торможение, излучение Вавилова - Черенкова; для γ-квантов - фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар, γ-переходы в ядрах, фотоядерные реакции, для нейтронов - поляризация при прохождении через ферромагнетик и др.

Оценка интенсивности электромагнитного взаимодействия по­казывает, что оно в 10²-10³ раз слабее ядерного (в пределах радиуса действия последнего). Соответственно процессы элек­тромагнитного распада протекают по крайней мере в 10²-10³ раз медленнее ядерных процессов и характеризуются периодами сек.

При прохождении заряженных частиц и γ-квантов через вещество наблюдаются большие потери энергии на электромагнитное взаимодействие.

Примером слабого взаимодействия является β-распад. β-распад- это специфическое взаимодействие между нуклонами и окружающим их электронно-нейтринным полем, в процессе которого возникают или поглощаются электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино). Как было показано, β-распад характеризуется чрезвычайно малой константой взаимодействия g, отсюда и его название - «слабое взаимодействие».

Кроме β-распада примерно такой же константой характеризуются и другие процессы слабого взаимодействия: (μ-e)-распад, (π-μ)-распад, распады К-мезонов и гиперонов. Слабые взаимодействия примерно в 10¹³ раз слабее сильных. В соответствии с этим процессы распада для слабых взаимодействий происходят по крайней мере в 10¹³ раз медленнее, чем для сильных, т.е. за время τ не меньше чем сек. Од­нако с процессами распада, происходящими из-за слабого взаи­модействия, надо считаться в тех случаях, когда частицы проходят большой путь до детектора, так как даже при скорости υ≈с частица, имеющая время жизни сек, может пройти, не распавшись, путь порядка 101—102 см.

Кроме процессов распада слабое взаимодействие может про­являться и в процессах непосредственного взаимодействия, на­пример в процессе захвата нейтрино (антинейтрино) нуклоном. Однако сечение таких прямых процессов слабого взаимодейст­вия настолько мало (~10^-43ni² при A_v =1IyA), что при прохождении частиц через вещество с ними, как правило, можно не считаться.

Большое разнообразие перечисленных процессов не позволяет рассматривать их все в одном месте. Ниже будут достаточно подробно описаны главные виды взаимодействия со средой заряженных частиц (ионизационное торможение, упругое рассеяние, радиационное торможение, черенковское излучение) и γ-квантов (фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар), а также будет кратко охарактеризовано взаимодействие со средой нейтронов.

Излучение Вавилова-Черенкова. В 1934г. П.А.Черенков, исследуя люминесценцию растворов ураниловых солей под действием γ-излучения радия, обнаружил новое свечение, которое нельзя было объяснить обычным механизмом возбуждения флуоресценции.

Известно, что флуоресценция возникает в результате переходов атомов или молекул между возбужденными состояниями. Длительность флуоресцентного высвечивания сек, причем на вероятность перехода можно воздействовать, например, добавлением гасящих веществ или, наоборот, хорошей очисткой среды, изменением ее температуры и др. Однако ни одним из этих способов погасить обнаруженное свечение не удавалось.

Дальнейшее изучение нового свечения, которое впоследствии назвали излучением Вавилова-Черенкова, показало следующее.

1.Наблюдается сильное изменение поляризации свечения при наложении магнитного поля. Это свидетельствует о том, что свечение вызывается не γ-квантами, а заряженными частицами. Такими частицами в опыте Черенкова могли быть электроны, возникающие при взаимодействии γ-квантов со средой в результате фотоэффекта и эффекта Комптона.

2.Интенсивность излучения не зависит от заряда среды Z, Поэтому оно не может быть радиационного происхождения.

3.Излучение направлено под определенным углом по отношению к движению заряженной частицы.

Излучение Вавилова-Черенкова было объяснено в 1937г. И.Е.Таммом и И.М.Франком на основе классической электродинамики. Они обратили внимание на то, что утверждение классической электродинамики о невозможности потерь энергии на излучение для заряженной частицы, движущейся равномерно и прямолинейно в вакууме, теряет силу при переходе от вакуума к среде с показателем преломления n>1.

Поиск по сайту: