Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Следует иметь в виду, что эффекты рекомбинации могут быть заметными и при регистрации отдельных заряженных тяжелых частиц с низкой энергией. В этом случае плотность зарядов в первый момент очень велика. Однако расчет рекомбинации в колонках очень сложен, так как здесь необходимо учесть и скорость образования ионов, и коэффициент диффузии, и направление электрического поля и т. д. Если интенсивность излучения велика, то следует учитывать рекомбинацию ионов, образующихся в разных колонках. В ионизационных камерах рекомбинация приобретает существенное значение, если в газе большая вероятность образования электроотрицательных ионов. Тогда рекомбинация происходит в два этапа: образование электроотрицательного иона и затем рекомбинация.
Образование электроотрицательных ионов. Взаимодействие электронов с нейтральными атомами и молекулами может приводить к образованию электроотрицательных ионов. Электроотрицательный ион стабилен, если его энергия в основном состоянии меньше, чем энергия основного состояния соответствующего нейтрального атома. Другими словами, энергия связи добавочного электрона должна быть положительной. Возможность существования электроотрицательного иона можно понять, рассматривая его как систему с рядом энергетических дискретных состояний. Энергия связи добавочного электрона определяется эффективным кулонов-ским полем ядра и электронов оболочки, которое убывает с расстоянием значительно быстрее, чем кулоновское поле точечного заряда. Добавочный электрон по принципу Паули может занимать лишь
115вакантные энергетические состояния. Поэтому образование электроотрицательного иона у атомов с заполненной оболочкой маловероятно, так как присоединенный электрон должен находиться в состоянии с главным квантовым числом на единицу большим, чем у внешних электронов. А это значит, что добавочный электрон находится «далеко» от внешней заполненной электронной оболочки, т. е. в области, где поле ядра надежно экранировано электронной оболочкой атома.
Атомы с незаполненными внешними оболочками могут образовывать электроотрицательный ион, поскольку в этом случае добавочный электрон может занять вакантное место «близко» от ядра и внешние электроны не будут полностью экранировать поле ядра. Приведенные качественные соображения находятся в согласии с наблюдениями. В газах обнаружены ионы 0~, O^", NO^, а также отрицательные ионы галоидов. Отрицательных ионов благородных газов Ar, Ne, Не, а также N не наблюдали. Энергии связи добавочных электронов для некоторых атомов даны в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Энергия связи добавочного электрона
Ион Водород Гелий Азот Кислород Неон Хлор
Энергия связи, эв 4-0,76 —0,53 4-0,04 +3,80 —1,20 +3,70
Вероятность образования электроотрицательных ионов различна для разных ионов и зависит от скорости движения электронов. Вероятность образования отрицательного иона при столкновении электрона с атомом или молекулой характеризуют коэффициентом прилипания h, который определяется отношением сечения образования отрицательного иона к полному сечению взаимодействия электрона с атомом. Значение коэффициента прилипания в зависимости от условий, в которых находится газ, приведены в табл. 5.4.
Чтобы оценить рекомбинацию, необходимо знать плотность электроотрицательных ионов, а чтобы рассчитать число электроот-
Таблица 5.4
Значения коэффициентов прилипания h
Е/Р. в !(ся X X мм рт.ст) 0 ,25 1 12 20 32
O2 10,4-Ю-6 2,2-10-6 1,7-10-6 7- IO-5 ю-5
Пары H2O — — 0,6- ю-6 30-ю-6 50-10-5
116рицательных ионов, достаточно знать среднее число столкновений электронов с атомами v и величину h. Вероятность избежать захвата электрона нейтральной молекулой при одном соударении очевидно равна (1 — Ii), а при v соударениях (1 — h)v. Следовательно, вероятность образования электроотрицательного иона при v соударениях равна [1 —¦ (1 —h)v]. Эту вероятность удобно выразить в зависимости от времени существования свободного электрона. Среднее число соударений электронов с атомами в единицу времени можно оценить как отношение средней скорости движения электрона к средней длине свободного пробега при единичном давлении X0. Тогда число соударений электрона с атомами с момента его образования за время t при давлении р будет: v = VptIX0. Таким образом, вероятность прожить свободному электрону время t до захвата его нейтральной молекулой будет (1 — h)vPt/k«, а вероятность рождения электроотрицательного иона в момент t есть [1 —• (1 —h)vpt!k«].
Из приведенных соотношений легко найти среднее время жизни электрона до образования электроотрицательного иона. Это время (J) = XJ [vp I In (1 —h)\] = XJ (vph). Для газов с простыми молекулами X0 = 0,01 н-0,1 см при р = 1 мм рт. ст. Скорость электронов можно принять равной IO7 см/сек. В этих условиях среднее время жизни электронов для таких газов, как Cl, О, может быть порядка IO-5 — Ю-0 сек. Это означает, что если время движения электронов к аноду камеры сравнимо со средним временем жизни относительно образования электроотрицательных ионов, то возможна ионная рекомбинация. Последний процесс, как уже отмечалось, на четыре порядка более вероятен, чем рекомбинация электронов с ионами. Оценим, какова может быть концентрация электроотрицательных ионов в камере в заданный момент времени, если камера наполнена благородным газом при атмосферном давлении с примесью с% кислорода. Считая сечения взаимодействия электронов с различными атомами одинаковыми, получаем, что в момент времени t доля P электроотрицательных ионов (от полного количества свободных электронов) составит