Глава 13. СОУДАРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ. РАССЕЯНИЕ

В настоящей главе рассматриваются соударения заряженных частиц, движущихся с большой скоростью, причем особое внимание уделяется обмену энергией между частицами и изменению направления движения частиц при соударениях. Быстрая заряженная частица при прохождении через вещество испытывает соударения с электронами и ядрами атомов. Для частиц, которые тяжелее электрона (например, или -мезонов, -мезонов, протонов и т. п.), соударения с электронами и ядрами приводят к различным последствиям. При соударениях с легкими частицами (электронами) налетающая частица может потерять значительную часть своей энергии, но при этом почти не испытывает отклонения. Наоборот, при соударениях с тяжелыми ядрами потеря энергии невелика, но при этом налетающая частица испытывает сильное рассеяние, поскольку такие ядра имеют большой заряд. Таким образом, энергия налетающей частицы теряется почти исключительно в результате соударений с электронами. Наоборот, отклонение частицы от первоначального направления падения обусловливается практически лишь упругими соударениями с атомными ядрами. Рассеяние ограничено малыми углами, так что тяжелые частицы движутся по более или менее прямолинейной траектории, теряя постепенно энергию, пока не дойдут до конца пробега. Если налетающая частица представляет собой электрон, то в результате соударений с электронами вещества происходят как потеря энергии, так и рассеяние. В итоге траектория частиц оказывается гораздо менее прямолинейной, чем для тяжелых частиц. Уже на довольно коротком расстоянии начинает проявляться диффузия электронов в веществе.

Вопросы, связанные с потерями энергии и рассеянием частиц при прохождении через вещество, имеют большое значение и рассмотрены в ряде книг, где, в частности, приведены подробные количественные

данные в виде таблиц и графиков. Поэтому наше внимание будет сосредоточено лишь на рассмотрении основных физических идей, а не на получении точных количественных формул. Для получения количественно точных результатов необходимо полное квантовомеханическое описание, хотя все существенные детали процессов по своему происхождению имеют классический или полуклассический характер. Как будет показано в дальнейшем, порядок величины квантовых эффектов можно легко оценить на основе принципа неопределенности.

Мы начнем с рассмотрения простой задачи о передаче энергии быстрой тяжелой частицей свободному электрону. Затем будет выяснено влияние сил связи, действующих на электроны, и получена классическая формула Бора для потерь энергии. Далее обсуждаются ее квантовые модификации, затем учитывается влияние поляризации среды, рассматриваются потери энергии в электронной плазме. Вслед за этим будет исследовано упругое рассеяние частиц на ядрах и многократное рассеяние. В конце рассматривается вопрос об электропроводности плазмы с учетом экранированного кулоновского взаимодействия.