Các hạt tích điện khi đi trong môi trường vật chất sẽ mất năng lượng theo các cách sau:
- Tương tác coulomb với các electron và hạt nhân. - Phát ra bức xạ điện từ.
- Tương tác hạt nhân.
- Phát ra bức xạ Cherenkov.
Hạt tích điện khi đi trong vật chất thì xảy ra tương tác chủ yếu là Coulomb với các điện tử và hạt nhân của nguyên tử môi trường. Kết quả làm cho các hạt tích điện mất năng lượng một cách liên tục và dừng lại hoàn toàn tại một khoảng cách xác định hữu hạn. Khoảng cách này sẽ phụ thuộc vào loại hạt tích điện, năng lượng của hạt tích điện và loại môi trường vật chất.
Đối với các hạt tích điện nhẹ thì tương tác hạt nhân được bỏ qua, còn đối với các hạt tích điện nặng (A>4) thì tương tác hạt nhân có đóng góp đáng kể.
Bức xạ Cherenkov đóng góp một phần rất nhỏ trong sự mất mát năng lượng của hạt tích điện. Bức xạ Cherenkov là sóng điện từ có thể nhìn thấy bằng mắt thường, được sinh ra khi hạt tích điện đi trong môi trường với vận tốc lớn hơn vận tốc của ánh sáng trong môi trường đó.
1.1. Tương tác Coulomb
Các hạt tích điện có thể xảy ra tương tác với các electron hoặc là hạt nhân của nguyên tử môi trường. Với kích thước của lớp vỏ nguyên tử (10-10 m) và hạt nhân (10-14m) thì chúng ta có thể xác định tỷ lệ giữa số tương tác với electron và hạt nhân xấp xỉ bằng 108 lần. Do vậy mà tương tác Coulomb của hạt tích điện với electron đóng vai trò quan trọng hơn nhiều so với tương tác của hạt tích điện với hạt nhân.
Hình 14. Tương tác coulomb của hạt tích điện tại điểm P với electron trên quỹ đạo có năng lượng E.
Khi hạt tích điện cách electron trên lớp vỏ nguyên tử một khoảng r, ta có lực Coulomb như sau:
22 2 c Ze F k r = (3.1)
Thông qua lực này, hạt tích điện sẽ truyền năng lượng cho electron quỹ đạo nguyên tử môi trường. Kết quả là khiến cho nguyên tử môi trường bị kích thích hoặc là bị ion hóa.
Hiện tượng ion hóa nguyên tử: Quá trình ion hóa xảy ra khi mà electron quỹ đạo nhận được năng lượng đủ lớn để thoát ra khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do. Khi đó động năng của electron tự do được xác định như sau:
e cp i
T E= − B (3.2)
Trong đó: Ecp là năng lượng mà hạt mang điện truyền cho electron; Bi là
năng lượng liên kết quả electron trong nguyên tử.
Các electron này sau khi được tạo thành thì chuyển động giống như một hạt tích điện và có thể gây ra các tương tác với nguyên tử môi trường khác cho đến khi mất hết năng lượng và dừng lại.
Khi nguyên tử bị mất electron sẽ trở thành ion dương, ion dương này có khối lượng lớn hơn nhiều so với electron do đó mà chuyển động chậm hơn electron đáng kể. Cuối cùng, ion dương sẽ bắt một electron trong môi trường để trở về trạng thái trung hòa điện.
Hiện tượng kích thích nguyên tử: Quá trình kích thích xảy ra khi electron nhận được đủ năng lượng để di chuyển lên quỹ đạo nguyên tử có năng lượng cao
hơn, sau thời gian khoảng 10-10 đến 10-8s thì electron này sẽ trở về quỹ đạo và sẽ giải phóng ra năng lượng dưới dạng tia X:
X c t
E = −E E (3.3) Ở đây: E Ec, t lần lượt là năng lượng của electron tại quỹ đạo cao hơn và quỹ đạo thấp hơn trong lớp vỏ nguyên tử.
Các va chạm giữa hạt tích điện với electron dẫn đến quá trình ion hóa hoặc kích thích là các va chạm không đàn hồi, va chạm không đàn hồi đóng vai trò quan trọng trong việc ghi nhận các hạt tích điện. Ngoài ra thì va chạm giữa hạt tích điện với electron cũng có thể là và chạm đàn hồi, nhưng va chạm đàn hồi này không giúp ích cho việc ghi nhận chúng.
1.2. Phát ra bức xạ điện từ (bức xạ hãm)
Các hạt tích điện trong trạng thái tự do khi thay đổi tốc độ một cách đột ngột sẽ phát ra một bức xạ điện từ (bức xạ này có tên gọi là bức xạ hãm). Năng lượng của bức xạ hãm này không phải đơn năng mà nhận giá trị liên tục từ 0 đến giá trị động năng của hạt tích điện đó. Theo cơ học lượng tử, cường độ phát ra bức xạ hãm sẽ tỷ lệ với bình phương của gia tốc tương tác của hạt tích điện và hạt nhân của nguyên tử môi trường: 2 c cp cp F zZe a m m = ≈ (3.4) 2 2 2 2 cp z Z I a m µ µ (3.5) Từ đây, chúng ta chú ý rằng:
- Khi 2 hạt tích điện đi trong cùng một loại vật chất, thì hạt tích điện có khối lượng nhẹ hơn sẽ phát ra nhiều bức xạ hãm hơn.
- Khi một hạt tích điện đi trong môi trường có số Z lớn hơn thì phát ra nhiều bức xạ hãm hơn.