FISICA NUCLEAR

INTERACCIONES DE LAS PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA

I. INTRODUCCIÓN

• Partículas cargadas  pérdida de energía diferente a las radiaciones sin cargas (rayos X o  y neutrones).

• Fotón o neutrón incidiendo sobre una lámina  pueden atravesarla:

1. sin realizar interacciones  no pierden energía,

2. interactuando  pueden perder su energía en uno o pocos eventos “catastróficos”.

• Partícula cargada, rodeada de su campo Culombiano de fuerza eléctrica, interactúa:

1. con uno o más electrones o

2. con el núcleo de cada átomo por donde pasa.

• La mayoría de estas interacciones  transfieren individualmente solamente pequeñas fracciones de la energía cinética de la partícula incidente.

• La partícula va perdiendo su energía cinética gradualmente como en un proceso de fricción  “aproximación de frenado continuo” (CSDA).

• Probabilidad de que una partícula cargada atraviese una capa de materia sin alguna interacción  nula. Ej. una partícula cargada de l MeV   105 interacciones antes de perder toda su energía cinética.

 Carácter estocástico  imposible predecir cuan lejos penetrará a través de la sustancia un fotón o neutrón individual  es necesario solamente una o pocas interacciones al azar para disipar toda su energía cuántica o cinética.

 Mayoría de partículas cargadas  caracterizadas aproximadamente por la longitud de trayectoria  depende del tipo, energía y medio.

• Debido a la multitud de interacciones que experimentan las partículas cargadas durante su frenado  longitud de su trayectoria  valor esperado que se observaría como valor medio para una población muy grande de partículas idénticas  alcance.

• Debido a la dispersión  todas las partículas cargadas idénticas no siguen la misma trayectoria, ni los recorridos son rectos, sobre todo las trayectorias de electrones (pequeña masa).

II. TIPOS DE INTERACCIONES CULOMBIANAS DE PARTICULAS CARGADAS.

Caracterización de interacciones culombianas  en términos de la dimensión relativa del parámetro de impacto clásico b vs. el radio atómico a (Fig. 8.1).

Figura 8.1.- Parámetros importantes en las colisiones de partículas cargadas con átomos: a- radio atómico clásico; b- parámetro de impacto clásico.

A. Colisiones "débiles" (b >> a)

• Partícula cargada pasando a una distancia considerable de un átomo  el campo de fuerza culombiano de la partícula afecta al átomo como un todo  deformación,

i. excitación a un nivel de energía superior e

ii. ionización por la expulsión de un electrón de la capa de valencia.

• Efecto neto  transferencia de una cantidad muy pequeña de energía (pocos eV) a un átomo del medio absorbente.

• Valores grandes de b son más probables que choques más próximos  colisiones “débiles”  tipo más numeroso de interacción de las partículas cargadas  son las responsables de aproximadamente la mitad de la energía transferida al medio absorbente.

• En medios condensados (líquidos y sólidos)  deformación atómica también da lugar al efecto de polarización (o de densidad).

• Bajo determinadas condiciones  parte muy pequeña de la energía gastada por una partícula cargada en colisiones débiles puede emitirse por el medio absorbente como luz coherente blanca azulada  radiación de Cherenkov.

• Sea v = c- velocidad de una partícula cargada que atraviesa un material dieléctrico transparente de índice de refracción n.

• Si v > c/n (velocidad de la luz en el medio)  radiación de Cherenkov se emite en un ángulo  con respecto a la dirección de la partícula, dónde:

(8.1)

 Fotones de Cherenkov  forman frente de onda cónico de ángulo medio 90°   detrás de la partícula (parecido a la onda de choque que deja un objeto supersónico que atraviesa el aire).

• Energía emitida como radiación de Cherenkov  fracción pequeña despreciable (< 0,1%) de la gastada por la partícula cargada en excitación atómica e ionización por colisiones débiles  insignificante en física radiológica.

• En física nuclear de altas energías  contadores de Cherenkov son instrumentos útiles para detectar partículas cargadas y medir sus velocidades.

 ¡OJO! (confusión) Efecto Cherenkov el efecto de polarización, ya que en sus tratamientos teóricos ambos dependen de la constante dieléctrica del medio absorbente.

• Efecto de polarización  disminuye la energía perdida por una partícula cargada al cruzar un espesor de masa dado de materia condensada (vs. gaseosa).

• Producción de radiación de Cherenkov  aumentar la pérdida de energía de la partícula.

B. Colisiones fuertes (o de "Choque frontal") (b  a)

• Parámetro de impacto b del orden de las dimensiones atómicas  mayor probabilidad de que la partícula incidente interactúe principalmente con un solo electrón atómico  se expulsa del átomo con energía cinética considerable  rayo delta ().

• Tratamiento teórico  energías de enlaces atómicas se desprecian y los electrones atómicos son “libres”.

• Rayos   energéticos  experimentan interacciones culombianas adicionales  disipan su energía cinética a lo largo de una traza separada (“espuela”) a partir de la formada por la partícula cargada primaria.

• Probabilidad de colisiones fuertes  depende del spin mecánico-cuántico y efectos de intercambio  naturaleza de la partícula incidente  ecuaciones de poder de frenado (que incluyen efecto de colisiones fuertes) dependen del tipo de partícula  especialmente diferente para electrones vs. partículas pesadas.

 Aunque colisiones fuertes son pocas en número, comparadas con las débiles  son generalmente comparables las fracciones de energía gastadas por las partículas primarias en ambos procesos.

 Expulsión de un electrón de la capa interna de un átomo por colisión fuerte  emisión de rayos

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