Letí-li částice látkovým prostředím, ztrácejí zde svoji energii při interakcích s atomy látky. Způsob ztráty energie závisí na druhu částic.
Těžké nabité částice jsou jádra lehkých atomů, především protony, deuterony a a-částice. Základním mechanismem ztrát energie při pohybu těchto částic látkou je elektrostatická interakce nabité částice s elektronovým obalem atomů látky, což může vést buď k excitaci atomu, tj. k přechodu elektronu na vyšší energetickou hladinu, nebo k ionizaci, tj. k vyražení elektronu z atomu a tím vytvoření páru iont-elektron. Jak ionizace tak i excitace probíhá na úkor energie nabité částice.
Bývá zvykem udávat ztráty energie nabité částice na jeden pár vzniklých iontů. Tato ztráta je pro široký rozsah kinetických energií nabitých částic konstantní a velmi málo se liší u různých nabitých částic. Např. ztráta energie 1 MeV vede ve vzduchu ke vzniku 28 000 párů iontů.
Úlomky štěpení jsou mnohonásobně ionizované atomy středních hmotnostních čísel s velkou kinetickou energií, vznikající při štěpení jader. Základním mechanismem ztrát energie je opět ionizace, při nižších rychlostech pak srážky s atomovými jádry.
Elektrony jsou nabité částice, takže ztrácí svoji energii při excitacích a ionizacích. Interakce elektronů s látkou se však liší od interakcí jiných nabitých částic díky malé hmotnosti elektronů.
Pro elektrony je charakteristický ještě jeden mechanismus ztrát energie - tzv. brzdné záření (pro protony a jiné těžké částice tento jev není tak výrazný). Podle klasické elektrodynamiky totiž elektron, pohybující se se zrychlením, vyzařuje elektromagnetickou energii úměrně druhé mocnině okamžité rychlosti.
Gama-záření ztrácí svoji energii ve třech základních druzích procesů - při fotoefektu, Comptonově rozptylu a při tvoření párů elektron-pozitron. Každý z těchto procesů představuje interakci g-kvanta s coulombovským polem jádra nebo elektronů.
Fotoefekt neboli fotoelektrický jev byl experimentálně
objeven v roce 1887 H. Hertzem a teoreticky potvrzen a objasněn v roce 1906
A. Einsteinem, který za něj obdržel Nobelovu cenu. Jev spočívá v uvolnění
elektronů z látky působením elektromagnetického záření (tj. i
g-fotonů). Kinetická energie vyraženého fotonu bude
| (50) |
Comptonovým jevem nazýváme pružný rozptyl fotonů na volných elektronech. Elektrony jsou ve většině látek vázány v atomech. Comptonův jev však nastává při rozptylu rentgenového záření nebo záření g, které mají mnohem vyšší energie než je energie vazby elektronů v atomu. Proto můžeme energii vazby zanedbat a považovat elektrony za volné.
Ztráta energie g-záření při tomto jevu spočívá v tom, že vlnová délka rozptýleného záření je větší než vlnová délka záření dopadajícího12.
Tvoření párů: Jestliže energie g-kvanta převyšuje dvojnásobek klidové energie elektronu, pak v coulombovském poli jádra může být g-foton zcela pohlcen a vznikne pár elektron-pozitron.
Protože velikosti účinných průřezů pro tyto procesy jsou velmi malé, je g-záření pronikavé záření. Při nízkých energiích g-fotonů (do 0,1 MeV) převládá proces fotoefektu, při vysokých energiích (nad 1,02 MeV) tvoření elektron-pozitronových párů. V oblasti energií 0,1-2 MeV je hlavním procesem Comptonův rozptyl.
Neutronové záření ztrácí v absorbující látce energii srážkami s atomovými jádry. K účinnému zpomalení neutronů dochází při srážkách s lehkými jádry. Nejúčinněji jsou neutrony zpomalovány jádry nuklidu 1H. Neutrony ztrácejí energii postupně opakovanými srážkami s jádry tak dlouho, až se jejich energie sníží na řádově 10-2 eV. Potom zanikají jadernou reakcí (pohlcením jádrem).
Ionizační a excitační účinky neutronového záření jsou nepřímé a jsou způsobeny částicemi, které vznikají jadernou reakcí při záchytu zpomalených neutronů. Důležitý je případ absorpce neutronů s velkou energií v látkách obsahujících vodík (voda, živé organismy). Hmotnost protonu a neutronu je přibližně stejná, proto při čelní srážce protonu s jádrem vodíku dochází k úplnému přenosu neutronu na proton a k jeho vyražení z vodíkového atomu. V absorbující látce tak vznikají protony se značnou kinetickou energií a z tohoto důvodu je neutronové záření obzvlášť nebezpečné pro živé organismy.
12Pro srážku g-fotonu s elektronem musí platit
zákon zachování hybnosti a zákon zachování energie. Označíme-li jednotlivé
veličiny podle obrázku 17, bude platit:
|
|
|
|
