elettromagnetiche, cascate

elettromagnetiche, cascate

Fenomeno dovuto al comportamento di elettroni e fotoni nel loro passaggio attraverso la materia a energie maggiori di 1 milione di elettronvolt (MeV). I fotoni subiscono la sola interazione elettromagnetica e, ai fini pratici, anche gli elettroni. I processi principali che determinano il loro comportamento nella materia sono: la diffusione Compton (un fotone che urta un elettrone atomico gli cede parte dell’energia posseduta), l’effetto fotoelettrico (cessione dell’intera energia posseduta a un elettrone), la creazione di coppie (trasformazione di un fotone in una coppia elettrone-positrone, possibile soltanto nel campo elettrico di un nucleo) e la radiazione di frenamento, o Bremsstrahlung (emissione di un fotone da parte di un elettrone, o positrone, accelerato). Un altro processo fondamentale è la perdita di energia per ionizzazione, che coinvolge tutti gli elettroni o i positroni che attraversano un mezzo e che nel loro percorso cedono energia agli elettroni atomici con i quali hanno un’interazione, provocandone l’eccitazione a un altro stato quantico o la ionizzazione, cioè la perdita di un elettrone. Con un’approssimazione ragionevole, possiamo limitarci a considerare alle energie superiori a qualche MeV i soli processi di creazione di coppie, Bremsstrahlung e perdita di energia per ionizzazione. Si nota che i primi due processi producono una proliferazione di particelle (un fotone in una coppia, un elettrone che rimane tale ma emette un fotone), mentre il terzo tende a ridurre l’energia delle particelle cariche fino al loro totale assorbimento. Esiste un’energia che permette, in pratica, di discriminare la fase di creazione delle particelle (coppie e Bremsstrahlung) da quella di assorbimento: è definita energia critica e ha un valore diverso per ogni materiale (si approssima con E_c∼ 800/Z MeV, con Z numero atomico del materiale). Elettroni o fotoni incidenti sul materiale generano una cascata in cui le particelle crescono in numero con la profondità come 2^Ν fino a quando il numero di generazioni è tale che l’energia media di ciascuna particella sia E∼(E_iniz/N)∼E_c. A questo punto la moltiplicazione si arresta e le particelle vengono riassorbite mediante la perdita di energia per ionizzazione. Questo comportamento è alla base della misura dell’energia dei fotoni per assorbimento totale. La lunghezza della cascata è determinata da un parametro di scala detto lunghezza di radiazione X₀, che rappresenta sostanzialmente la distanza che separa due processi di creazione. Essa è funzione del materiale e va da pochi millimetri (per i materiali più densi: piombo, tungsteno, uranio) a diversi centimetri (silicio, alluminio), fino alle centinaia di metri per i gas.

→ Particelle elementari: esperimenti