Trecerea electronilor prin materie

Trecerea electronilor prin materie

Ca si in cazul particulelor incarcate grele trecerea electronilor prin substanta este insotita de ciocniri elastice si neelastice cu nucleele si electronii mediului de franare. Spre deosebire insa de cazul particulelor grele, in cazul electronilor aceste ciocniri duc la pierderi de energie relativ importante si la modificarea substantiala a directiei de miscare a electronilor.

In urma acestui fapt, intensitatea fasciculului de electroni in substante grele se micsoreaza aproape exponential cu cresterea grosimii absorbantului. Din acelasi motiv, drumul electronului in substanta este in general o curba complicata in zig-zag si parcursurile electronilor cu aceeasi energie prezinta o dispersie insemnata.

O alta deosebire consta in faptul ca pentru o energie a electronilor E_e>0,5 MeV incep sa aiba un rol crescand pierderile prin radiatie legate de emisia radiatiei electromagnetice la franarea electronilor in campul nucleului mediului de franare. Totusi la energii ale electronilor sub 1 MeV aceste pierderi radiative de franare pot fi neglijate in majoritatea cazurilor practice.

Mecanismul principal de pierdere a energiei in acest domeniu este difuzia neelastica pe electronii legati ai substantei care duce la ionizarea si excitarea atomilor mediului. Formula de calcul a pierderii de energie prin ionizare in cazul electronilor este asemanatoare cu cea pentru particule grele:

(1.16)

unde E_e este energia cinetica relativista a electronului, iar n_e densitatea electronilor in mediul traversat.

Deosebirile care apar totusi intre relatiile (1.9) si (1.16) se explica prin aceea ca la analiza procesului elementar de interactiune a doi electroni, trebuie considerata devierea ambelor particule si, de asemenea, efectul cuantic de schimb ca urmare a identitatii celor doua particule.

In figura 1.7 se da puterea de stopare a electronilor in siliciu. Se observa ca aceasta trece (ca si in cazul particulelor grele) printr-un minim plat la E_e~1 MeV dupa care incepe sa creasca putin datorita cresterii rolului pierderii de energie prin radiatie de franare.

Electrodinamica clasica gaseste pentru energia emisa pe secunda de o particula cu sarcina ze, ce se misca accelerat in campul electromagnetic cu acceleratia a~1/m unde m este masa particulei, expresia:

Fig. 1.7. Puterea de stopare a electronilor in siliciu

Energia emisa este deci invers proportionala cu patratul masei particulei. Practic, aceasta inseamna ca pentru energii ale particulei de ordinul MeV, pierderile prin radiatie in substanta sunt importante pentru electroni, dar neglijabile pentru protoni (de cca ori mai mici).

Cum forta coulombiana care produce franarea electronului este proportionala cu sarcina Z a nucleului, pierderile de energie prin radiatie sunt proportionale cu Z². Astfel, cand este necesara producerea radiatiei de franare (tuburi de raze X) se folosesc materiale cu Z mare, iar cand vrem

sa ecranam sursele de electroni, cum ar fi izotopii radioactivi , folosim materiale usoare cu Z mic (Al) asa incat radiatia de franare sa fie cat mai mica. De exemplu pentru radiatii β de 1 MeV,

pierderea de energie prin radiatie in Al este aproape neglijabila, in timp ce pentru Pb ea poate atinge valoarea de cca 12%.