带电粒子在物质中引起的物理效应

电离和激发

当运动的带电粒子与物质相接触的时候，会与物质中原子的核外电子发生静电作用，使核外电子从带电粒子那里获得能量。当所获得的能量足以冲破原子核的束缚力时，核外电子就脱离原子而成为自由电子，原子成了正离子。这种效应就叫做电离。

如果入射的带电粒子只是与原子的核外电子擦边而过，或者已经与其它原子东碰西撞而筋疲力尽，无力使原子的核外电子获得足够的能量去冲破原子核的束缚，而只能在原子内部由较低的能级跳到较高的能级，这种物理效应就称为激发。

这里还要特别提一下次级电离。次级电离顾名思义它不是直接由入射带电粒子引起的，而是由入射粒子在物质中所产生的次级粒子（如由电离产生的正离子和自由电子），如果它们的能量还足够高，以至当它们再与物质中的原子相互作用时还能继续使原子电离，产生正离子和电子。这种物理效应就称为次级电离。以后我们还会看到，不带电的中性粒子也能引起次级电离。据统计，α粒子通过气体时，所产生的离子对（正离子和自由电子）中，有60%以上是由次级电离产生的。对于β粒子或电子，直接电离仅占 20%～30%，而 70%以上为次级电离。

带电粒子在物质中的电离作用强弱和哪些因素有关呢？研究结果表明，电离作用的强弱与带电粒子的能量和电荷以及物质的密度有关。当带电粒子入射进物质时，初始的速度大，在单位距离上由电离作用而产生的离子对数目比较少。随着带电粒子能量的损失，带电粒子的速度减慢下来，电离作用所产生的离子对数目随之增加。当带电粒子的速度趋近于零时，电离作用所产生的离子对数目最大。带电粒子到达路程的终点时，就在物质中停止下来。带电粒子在物质中所经过的距离称为射程。为什么带电粒子在物质中的电离情况随着离子速度的减慢而增大呢？这是因为当带电粒子速度大时，经过原子的核外电子附近空间的时间短，静电相互作用的时间也就短，核外电子从带电粒子那里获得能量的机会就少，因而电离作用所产生的离子对数目就少。反之，带电粒子的速度小，电离作用就强，产生的离子对就多。

很显然，带电粒子在物质中电离作用的大小也和带电粒子所带的电荷多少有关。比如，同样能量的β粒子和α粒子都能产生电离效应，但是由于β

粒子所带的电荷比α粒子少，所以其电离作用就比α粒子弱。而它的射程比α粒子要长，也就是说，它对物质的穿透能力比α粒子强。同样道理，由一种元素产生的带不同电荷的离子，它们在物质中的电离作用也是不一样的。

散射

带电粒子在物质中通过时，还会受到原子核库仑电场的作用而改变运动方向，这种现象就称为散射。前面已经提到过的著名的卢瑟福散射实验就是一个典型的例子。我们假定入射的α粒子运动的方向都一样，能量也一样，并且垂直入射在厚度为 t，原子序数为 Za，单位体积的原子数为 N 的物体（散射体）上，经过散射以后α粒子将朝着不同的方向运动。α粒子沿着不同角度运动的分布情况可以用卢瑟福散射公式表示：

n（θ）=n0NtZa2Zb2e4/16E2sin4（θ/2）

式中，na 为入射α粒子总数，Za 为α粒子所带的电荷数，E 为α粒子的能量，θ为散射角（与入射方向所成的角度），n（θ）为在散射角附近每单位立体角内被散射的粒子数。这个公式按其本意只适用于α粒子散射。其实，对其它带电粒子，只要加进适当的修正因子也同样可以用。如果带电粒子的速度接近光速，则要把公式右边的 E 改用 mv2/2 来代替，m 和 v 分别为粒子的质量和速度。

从卢瑟福散射公式可以看出，大部分的粒子都集中在散射角很小的空间内。这和卢瑟福实验的结果是一样的。根据公式，散射角大于 90°的散射是完全可能的，也就是说，入射粒子经散射后将折返回去。这种散射称为反向散射或者背散射。如果入射粒子在物质中经过多次散射时，反向散射特别明显。

这里还需要指出的是，卢瑟福散射公式只适用于单次散射的情况，对于入射带电粒子通过比较薄的散射体时才是近似地正确的。而对于比较厚的物质，入射粒子可以进行多次散射，散射的角分布情况要复杂得多，这里不准备多加讨论。散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种。如果散射前入射粒子和散射体原子核的总动能和总动量与散射后的总动能和总动量相等，这种散射就是弹性散射。如果散射前、后的总动能和总动量不相等（散射前的大于散射后的），这种散射就是所谓非弹性散射。

带电粒子被物质散射的情况还和粒子的质量有关。我们举α粒子和β粒子为例做个简单的说明。β粒子和α粒子的质量相差几千倍，相对来说，α 粒子很重，β粒子很轻。因此，当α粒子入射物质时，只有当它们非常挨近原子核时才会改变其运动的方向，即发生散射。而β粒子就不一样，由于它很轻，无论是受到原子核还是核外电子的静电作用都会明显地偏离原来的运动方向。

韧致辐射和契连科夫辐射

如果一个高速运动的β粒子（即电子）突然受到物质的阻止，而使它的速度急剧地减缓下来，这时它所损失的能量就会以电磁波的形式释放出来，这就是所谓的韧致辐射。前面已经说过，韧致辐射也是一种 X 射线，一种具有连续能谱的 X 射线。广泛应用的 X 光机就是利用这个效应来产生 X 射线的。

韧致辐射效应随着电子能量的增加而增强。在电子加速器中，用电子束打到钨靶上，当电子能量为 10MeV 时，有 50%的能量转化为韧致辐射；而当

电子能量达到 100MeV 时，则有 90%的能量转化为韧致辐射。韧致辐射效应的大小也和物质的原子序数有很大的关系，与原子序数 Z 的平方成正比。需要指出的是，其它带电粒子只要能量足够高，也能够产生韧致辐射。

如果电子或其它带电粒子在真空中具有很高的速度（接近光速），那么当它进入折射系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的速度。在这种情况下，电子或其它带电粒子能量的一部分会转化为可见光或紫外光发射出去。这时候如果观察者对着电子或带电粒子运动的方向，就可以看到发光现象。这种现象是前苏联物理学家契连科夫首先发现的，所以称为契连科夫辐射。