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Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ1 Interação de partículas carregadas com a matéria Prof. Marcelo SantAnna.

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1 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ1 Interação de partículas carregadas com a matéria Prof. Marcelo SantAnna Sala A-310 (LaCAM)

2 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 2 Penetração de íons na matéria: simulação Usando o programa SRIM: zoom O de 20 keV O de 200 keV Ex.: Oxigênio incidente em alvo sólido de Silício Qual a física envolvida? Como é feita a modelagem?

3 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 3 Seções de choque: o que são? Uma grandeza proporcional à probabilidade de um átomo sofrer uma mudança. (com maior rigor: fluxo de partículas espalhadas com uma certa propriedade dividido pela densidade de fluxo de partículas incidentes) Área efetiva de colisão e-e-

4 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 4 Seções de choque: por quê? Seções de choque Experiência Teoria (clássica ou quântica) Obs.: unidade de área Entender processos da natureza

5 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 5 Colisões suaves versus Colisões de pequeno b Parâmetro de impacto (b) pequeno Colisão suave (b grande)

6 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 6 Perda de energia na matéria Perda de energia por unidade de comprimento: dE/dx Alcance do projétil na matéria: (sinônimos: poder de frenamento, stopping power) Calcular ou medir Obs.: O alcance de partículas alfa no ar é dado (em cm) aproximadamente por R(cm)=0.318 E 3/2, onde E é dada em MeV

7 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 7 Colisão de um íon com elétrons quase-livres e-e- b I) Qual o momento linear transferido para o elétron? v x (por simetria) ? (continua...)

8 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 8 Colisão de um íon com elétrons quase-livres b v x ? (continua...) r Mas,

9 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 9 Obs.: alternativa para determinacao de p y Lei de Gauss…

10 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 10 II) Qual a energia transferida para o elétron (em uma colisão)? Para um dado parâmetro de impacto: Colisão de um íon com elétrons quase-livres

11 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 11 III) Qual a energia perdida pelo projétil (em múltiplas colisões com e - ) quando atravessa o volume dV? Considere n a densidade de elétrons por unidade de volume e Colisão de um íon com elétrons quase-livres e-e- db b dx dV=2 b db dx Número de e - por unidade de volume (n):

12 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 12 IV) Qual a energia total (integrada sobre b) perdida por unidade de comprimento? Como estimar b max e b min ?

13 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 13 V) b max e b min finalmente, (energia de ionização) b min b max mas, e

14 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 14 Sugestão: Early Studies with Radioactive Particles ( ) Quantum Mechanics and Stopping Theory ( ) Analysis of Fission Fragments ( ) Particle Stopping in a Free Electron Gas ( ) Theories for Stopping & Ranges of Heavy Ions ( ) > 1985

15 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 15 Fig. Numero de partículas monoenergeticas penetrando em um material de espessura t. Os fótons espalhados são desprezados. R e o alcance, e o alcance médio e tmax e o alcance maximo.

16 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 16 Alcance no ar (cm) Energia (MeV) Alcance em Al (mg/cm 2 ) Alcance em Cu (mg/cm 2 ) Alcance em Ag (mg/cm 2 ) Alcance em Pb (mg/cm 2 ) empíricoExp.empíricoExp.empíricoExp.empíricoExp. 121,71,52,2...2,7...3,33,7 23,53,43,14,4...5,4...6,66,7 56,38,47,611,210,413,411,516,618,0 109,71714,82220,22724,33334, Tabela I – alcance de partículas alfa no ar e vários meios. Os valores experimentais são de W. A. Aron, B. G. Hoffman, e F. C. Williams. U.S. Atomic Energy Comm. Document AECU-663, 1949.

17 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 17 Energia (MeV) Alcance no ar (cm) Alumínio =2,7 g/cm 3 cobre =8,9 g/cm 3 chumbo =11.0 g/cm 3 SLSL SmSm SLSL SmSm SLSL SmSm 2, , ,32 6, , , ,33 9, , , , , , ,39 Tabela II – stopping power relativo para partículas alfa em varias substancias.

18 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 18 Exercício (ENADE 2005) Uma partícula carregada, ao penetrar num meio material, interage, via interação eletromagnética, com os núcleos e elétrons atômicos do meio, transferindo energia aos mesmos. Embora este processo de transferência de energia seja bastante complexo, a ele pode-se associar uma força média, chamada poder de frenamento, d, que agindo na partícula tem como efeito a sua gradual diminuição de velocidade. Na figura abaixo representa-se a curva do poder de frenamento, em MeV/mm, de partículas (Z= 2) no Au e no Al como função da energia E. Considere as seguintes afirmações: I. Para uma folha de Au de espessura x = 1 m, a perda de energia para uma partícula, de energia E= 4 MeV, é aproximadamente igual a 0,5 MeV. II. Para uma dada energia E, a perda de energia das partículas no Au sempre maior que perda de energia no Al, independentemente da espessura do absorvedor. III. Para qualquer material, o poder de frenamento de prótons (Z=1) deve ser menor que o poder de frenamento de partículas alfa, para qualquer energia. Está correto o que se afirma SOMENTE em (A) I (B) II (C) III (D) I e II (E) I e III

19 Laboratório de Física Corpuscular - aula Instituto de Física - UFRJ 19 Prática: perda de energia de partículas alfa no ar


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