Materie & Energie

Strahlung - Elektronen

Elektronen

In der ersten Born-Näherung hängt der unelastische Querschnitt nur von der Geschwindigkeit und der Größe der Ladung auf dem einfallenden Teilchen ab. Daher sollten ein Elektron und ein Positron mit derselben Geschwindigkeit identische Stoppkräfte haben, die mit denen eines Protons mit dieser Geschwindigkeit identisch sein sollten . In der Praxis gibt es im Fall eines Elektrons einen gewissen Unterschied aufgrund der Ununterscheidbarkeit der einfallenden und atomaren Elektronen. Bei der Beschreibung einer durch ein einfallendes Elektron verursachten Ionisation wird die energetischere der beiden austretenden Elektronen konventionell als die bezeichnetprimär . Somit ist der maximale Energieverlust (ohne Berücksichtigung der Atombindung) die Hälfte der einfallenden Energie. Unter Berücksichtigung dieses Effekts wird die Stoppzahl eines Elektrons durch einen komplizierten Ausdruck angegeben, der eine andere Anordnung der Parameter beinhaltet, die in der Stoppzahl schwer geladener Teilchen gefunden werden. dh

Gleichung.

Diese Stoppkraftformel hat einen weiten Gültigkeitsbereich, von ungefähr einigen hundert Elektronenvolt bis zu einigen Millionen Elektronenvolt in Materialien mit niedriger Atomzahl . Bei niedrigen Geschwindigkeiten bricht die Born-Näherung allmählich zusammen, und hoch angeregte Zustände sind aufgrund der geringen maximalen Energieübertragung für Übergänge unzugänglich. Mit einigen Korrekturen kann die Elektronenstoppkraftformel jedoch auf etwa 50 eV erweitert werden. Unterhalb dieses Wertes ist jede Bremskraftformel von zweifelhafter Gültigkeit, obwohl es sicher ist, dass der größte Teil der Energie immer noch durch elektronische Zustände bis zu einigen eV Energie verloren geht.

Auf der Hochgeschwindigkeitsseite erhöhen relativistische Effekte die Elektronenstoppleistung von etwa 1.000.000 eV nach oben. Mit Ausnahme der entfalle δ Laufpolarisations Siebung, die relativistische Bremskraft gegen Unendlich als die Elektronengeschwindigkeit , die Ansätze mit Lichtgeschwindigkeit ( v / c = β → 1). Die Hälfte der Bremskraft, genanntDie eingeschränkte Bremskraft entspricht numerisch der linearen Energieübertragung und ändert sich reibungslos auf einen konstanten Wert, der als Fermi-Plateau , wenn sich das Verhältnis β der Einheit nähert. Die andere Hälfte heißt dieDie uneingeschränkte Bremskraft nimmt unbegrenzt zu, aber ihre Wirkung bei extremen relativistischen Geschwindigkeiten (die sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen) wird im Vergleich zum Energieverlust durch nukleare Begegnungen gering.

Bei extrem hohen Geschwindigkeiten verliert ein Elektron einen wesentlichen Teil seiner Energie durch strahlende nukleare Begegnung. Verlorene Energie wird durch energetische Röntgenstrahlen (dh Bremsstrahlung) übertragen. Das Verhältnis des Energieverlusts durch nukleare Strahlungsbegegnung zum Kollisionsenergieverlust (Anregung und Ionisation) ist ungefähr durch die einfallende Elektronenenergie ( E ) in Einheiten von 1.000.000 eV mal Atomzahl ( Z ) geteilt durch 800 gegeben; dh E Z / 800. Für eine große Klasse von Medien (Atomzahl gleich oder größer als 8 ist ; das heißt, daß für Sauerstoff), wird das Elektron durch Anhalten dominiert Bremsstrahlungsstrahlung für Energien von mehr als 100 MeV.

Cherenkov-Strahlung

Wenn die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens in einem transparenten Medium (Luft, Wasser, Kunststoffe) so hoch ist, dass sie größer als die Gruppengeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium ist, wird ein Teil der Energie als Cherenkov-Strahlung emittiert , die zuerst in beobachtet wird 1934 von Pavel A. Cherenkov, einem sowjetischen Physiker. Diese Strahlung macht selten mehr als einige Prozent des gesamten Energieverlusts aus. Trotzdem ist es für Überwachungs- und Spektroskopiezwecke von unschätzbarem Wert . Cherenkov-Strahlung wird über den gesamten sichtbaren Bereich und in das nahe Ultraviolett und das nahe Infrarot verteilt. Die Ausbreitungsrichtung ist auf einen Kegel beschränkt, dessen Achse die Richtung der Elektronenbewegung ist .

Energietransfermechanismus

Am Ende seines Weges mit niedriger Geschwindigkeit regt ein Elektron weiterhin elektronische Ebenen von Atomen oder Molekülen an, bis seine kinetische Energie unter den niedrigsten (elektronisch) angeregten Zustand fällt (siehe Abbildung 1 ). Danach verliert es Energie hauptsächlich durch Anregung von Schwingungen in einem Molekül . Ein solcher Mechanismus erfolgt durch die Vermittlung temporärer negativer Ionenzustände , da direkte Impulsübertragungskollisionen sehr ineffizient sind. In einem kondensierten Medium (flüssig, fest oder Glas) verlieren Elektronen mit sehr niedriger Energie (weniger als 1 eV) weiterhin Energie durch einen Prozess, der als Phononenemission bezeichnet wird, und durch Wechselwirkung mit anderen niederfrequenten intermolekularen Bewegungen des Mediums.

Ein Elektron und ein einfach geladenes schweres Teilchen mit der gleichen Geschwindigkeit haben ungefähr die gleichen Bremskräfte. Aufgrund der geringen Masse des Elektrons ist die relative Verzögerung (Abnahme der Geschwindigkeit pro Einheit Pfadlänge) jedoch viel größer. Diese größere Verzögerung für ein Elektron bedeutet, dass, wenn ein Elektron und ein schweres Teilchen mit der gleichen Geschwindigkeit beginnen, das Elektron einen viel kleineren Bereich hat. Elektronenspuren zeigen viel mehr Streuung und Streuung als die eines schweren Teilchens. Der erste Effekt ergibt sich aus der Tatsache, dass das Elektron in einer einzigen Begegnung einen großen Teil seiner Energie verlieren kann; Das zweite ist das Ergebnis einer kleinen Masse. Ein Potenzgesetz kann verwendet werden, um Reichweite und Energie von Elektronen in einem bestimmten Medium zu verbinden - dh die Reichweite ist proportional zu Energie, die zu einer Leistung angehoben wirdn ; Wie im Fall eines schweren Teilchens ist der Index n bei hohen Energien etwas kleiner als zwei. Bei niedrigen Energien ist die Beziehung so, dass der Exponent eins oder weniger ist. Es stehen viele Formeln und Tabellen zum Stoppen von Kräften und für Bereiche von Elektronen sowie von schweren Teilchen über einen weiten Bereich von Energien zur Verfügung.