Particelle cariche

In generale, due aspetti principali caratterizzano il passaggio di particelle cariche attraverso la materia: la perdita di energia da parte della particella e la deviazione dalla loro direzione iniziale. Questi effetti sono il risultato di due processi:

• collisioni anelastiche con gli elettroni atomici del mezzo;
• scattering elastico da parte dei nuclei.

Queste interazioni si ripetono molte volte lungo il percorso della particella e gli effetti osservati ne sono il risultato complessivo. Per particelle cariche pesanti (come le alfa), che hanno una massa enormemente maggiore di quella dell’elettrone, urti successivi porterranno solo a piccole perturbazioni della traiettoria che rimarrà pressochè rettilinea. Inoltre solo una piccola frazione dell’energia iniziale viene trasferita alla particella leggera (circa un cinquecentesimo nell’urto tra una particella alfa e un elettrone), e questo implica che siano necessari urti con molte particelle prima di perdere tutta l’energia posseduta. Quindi, statisticamente parlando, particelle pesanti aventi stessa energia esibiranno, in un materiale isotropo, il medesimo range di penetrazione. La figura seguente schematizza la percentuale di particelle che sono sopravvissute dopo un certo spessore all’interno del materiale:

Nel caso di particelle leggere (come, per esempio, un elettrone che urta un altro elettrone), si avrà, una deviazione significativa della traiettoria: questi continui cambi di direzione daranno origine ad un percorso tortuoso, diverso particella per particella, la conseguente ionizzazzione risulterà piuttosto irregolare. In questo caso allora l’intensità del fascio, in funzione della penetrazione, non si annullerà in un breve intervallo, ma in modo molto più diffuso. L’effetto sarà anche maggiore nel caso in cui il fascio di elettroni, provenendo da un decadimento β, abbia già in partenza una certa distribuzione in energia e pertanto una più variabile capacità di penetrazione.

Questo fenomeno è tanto più marcato tanto maggiore è l’energia degli elettroni incidenti:

Come si intuisce dalle figure appena proposte, la profondità massima di penetrazione assume, per particelle cariche pesanti e per quelle leggere (almeno in un campo di energie fino a qualche MeV) un valore abbastanza ben definito.

Il range medio di una particella può essere espresso da un punto di vista teorico con il seguente integrale:

dove Eο è l’energia iniziale della particella e dE/dx è la perdita di energia per unità di lunghezza, detta potere frenante della materia:

L’espressione analitica del potere frenante può essere bene espressa con la formula di Bethe-Bloch:

con:

• raggio classico dell' elettrone (2,81·m);
• z numero di cariche della particella incidente;
•  massa dell'elettrone;
• N densità di atomi;
• v velocità delle particelle;
• B numero frenante,  energia media di ionizzazione.

Per quanto concerne le particelle beta, queste possono avere energia sufficiente per produrre radiazioni secondarie (raggi γ) attraverso l’effetto Bremsstrahlung  (radiazione di frenamento), l'energia dei fotoni di Bremsstrahlung corrisponde alla perdita di energia cinetica della particella  e si distribuisce in uno spettro continuo esteso tra 0 e l'energia della radiazione incidente. Da notare è che la produzione di Bremsstrahlung è proporzionale a  del mezzo assorbente e quindi si manifesta maggiormente con materiali densi, per evitare ciò si opera interponendo prima del materiale schermante ad alta densità uno strato di materiale con peso atomico minore (tipicamente materiale plastico) che rallenta le beta riducendo quindi questo fenomeno.

AA