3. STRATY ENERGII CZĄSTKI NA JONIZACJĘ OŚRODKA  

            Naładowane cząstki przy przechodzeniu przez dany ośrodek materialny mogą tracić swoją energię w procesie jonizacji lub wzbudzenia cząsteczek gazu. Przy detekcji cząstek, w większości przypadków stosuje się mieszanki gazowe zawierające cząsteczki dwu- lub wieloatomowe. 

Jonizacja ośrodka może zachodzić tylko wtedy, gdy energia cząstki jonizującej jest większa od energii jonizacji atomów danego ośrodka, tj. od minimalnej energii potrzebnej na oderwanie elektronu z atomu (cząsteczki). Dla energii mniejszych od energii jonizacji możliwy jest jedynie proces wzbudzenia atomów polegający na przechodzeniu elektronów do któregoś ze stanów związanych o wyższej energii.

W gazowych licznikach proporcjonalnych jonizacja przebiega w dwóch etapach. Pierwszy to jonizacja pierwotna, która jest dokonywana przez naładowaną cząstkę, przechodzącą przez dany ośrodek. Elektrony o najwyższych energiach wybite z atomów ośrodka podczas tego procesu mogą same jonizować dalej ośrodek - jest to drugi etap tzw. jonizacja wtórna, w wyniku której całkowita liczba jonów jest 3-4 razy większa od liczby jonów powstałych podczas jonizacji pierwotnej.

Średnie straty energii naładowanej cząstki w wyniku jonizacji na jednostkę przebytej drogi opisuje wzór Bethego-Blocha:

gdzie:

m – masa elektronu; z – ładunek cząstki (w jednostkach e) = v/c; v – prędkość cząstki; c – prędkość światła w próżni; N_A – liczba Avogadra; Z – liczba atomowa atomów ośrodka;  A – liczba masowa atomów ośrodka; x – długość drogi przebytej przez cząstkę w ośrodku wyrażona w kg*m^-2;  I – efektywny potencjał jonizacji uśredniony po wszystkich elektronach.

  [1], [8]

           Znak minus przez wyrażeniem z lewej strony równania oznacza, że straty energii pomniejszają wartość energii cząstki. Ze wzoru wynika, że strata energii naładowanej cząstki silnie zależy od jej ładunku. Dla cząstki pojedynczo naładowanej np. elektronu nie powoduje to wzrostu strat energii bo czynnik , natomiast dla cząstek podwójnie naładowanych np. cząstek ( ) powoduje to aż czterokrotny wzrost strat . Strata energii cząstki jonizującej nie zależy w ogóle od jej masy, a zależność od rodzaju ośrodka jest bardzo słaba gdyż dla większości jąder stosunek . Wyjątkiem są jądra wodoru i jądra pierwiastków najcięższych (Z > 80), w których dość silne odpychające kulombowskie oddziaływanie pomiędzy protonami jest równoważone silnym oddziaływaniem jądrowym pomiędzy dodatkowymi nukleonami. Liczba neutronów N tych jąder przewyższa liczbę protonów Z, stąd stosunek 

  [9]. 

Straty energii cząstki mają charakter kwazi-ciągły, ponieważ na wytracenie energii i zatrzymanie cząstki wymagana jest ogromna liczba aktów jonizacji. Energia tracona przez cząstkę w wyniku pojedynczego zderzenia stanowi bardzo małą część energii kinetycznej cząstki.

Rysunek 3.1 pokazuje przykładową tendencję zależności strat energii na jednostkę długości drogi jako funkcję czynnika Lorentza:

Rysunek 3.1 Wykres średniej jonizacyjnej straty energii cząstki naładowanej.

Z powyższego wykresu wynika, że dla cząstek nierelatywistycznych wraz ze zmniejszaniem się ich energii rośnie wartość strat jonizacyjnych. Dla cząstek relatywistycznych straty jonizacyjne rosną wraz ze wzrostem ich energii kinetycznej.

Cząstka poruszająca się w danym ośrodku materialnym może stracić w wyniku jonizacji całą swoją początkową energię kinetyczną. Zjawisko to nazywane jest pochłanianiem cząstek naładowanych, a droga potrzebna do całkowitego wyhamowania cząstek nazywana jest zasięgiem.

Na wykresie 3.2 została przedstawiona zależność (krzywa Bragga) gęstości jonizacji od długości drogi przebytej przez cząstkę.

Rysunek 3.2 Krzywa Bragga.

        Zwiększone straty jonizacyjne w końcowym odcinku drogi przebytej przez cząstkę oznaczają, że energia przekazana przez cząstkę w tym miejscu ośrodka przyjmuje największe wartości. Zjawisko to wykorzystywane jest w medycynie do nieinwazyjnego niszczenia tkanek nowotworowych przez precyzyjne naświetlanie wiązkami protonów lub neutronów.

[10]