Interação de partículas carregadas com a matéria

1. Interação de partículas carregadas com a matéria Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM) e-mail: mms@if.ufrj.br Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

2. Penetração de íons na matéria: simulação Usando o programa SRIM: www.srim.org Ex.: Oxigênio incidente em alvo sólido de Silício Qual a física envolvida? Como é feita a modelagem? O de 20 keV zoom O de 200 keV O de 200 keV Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - 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) e- Área efetiva de colisão Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

4. Seções de choque Seções de choque: por quê? Entender processos da natureza Teoria (clássica ou quântica) Experiência Obs.: unidade de área Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

5. Colisões suaves versus Colisões de pequeno b Parâmetro de impacto (b) pequeno Colisão suave (b grande) Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

6. Perda de energia na matéria Perda de energia por unidade de comprimento: dE/dx (sinônimos: poder de frenamento, “stopping power”) Alcance do projétil na matéria: Calcular ou medir Obs.: O alcance de partículas alfa no ar é dado (em cm) aproximadamente por R(cm)=0.318 E3/2,onde E é dada em MeV Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

7. I) Qual o momento linear transferido para o elétron? v x (por simetria) ? (continua...) Colisão de um íon com elétrons quase-livres e- b Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

8. { Mas, Colisão de um íon com elétrons quase-livres r ? b v x (continua...) Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

9. Obs.: alternativa para determinacao de Dpy Lei de Gauss… Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

10. II) Qual a energia transferida para o elétron (em uma colisão)? Colisão de um íon com elétrons quase-livres Para um dado parâmetro de impacto: Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

11. Colisão de um íon com elétrons quase-livres 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 dV=2p b db dx Número de e- por unidade de volume (n): dx e- b db Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

12. IV) Qual a energia total (integrada sobre b) perdida por unidade de comprimento? Como estimar bmax e bmin? Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

13. V) bmax e bmin bmin bmax mas, e (energia de ionização) finalmente, Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

14. Sugestão: http://www.srim.org/SRIM/History/HISTORY.htm • Early Studies with Radioactive Particles (1899 - 1920) • Quantum Mechanics and Stopping Theory (1930 - 1935) Analysis of Fission Fragments (1938 - 1941) • Particle Stopping in a Free Electron Gas (1947 - 1960) • Theories for Stopping & Ranges of Heavy Ions (1963 - 1985) • > 1985 Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - 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, <t> e o alcance médio e tmax e o alcance maximo. Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

16. 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. Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

17. Tabela II – stopping power relativo para partículas alfa em varias substancias. Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - 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 Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ

19. Prática: perda de energia de partículas alfa no ar Laboratório de Física Corpuscular - aula 3 - 2008.1 - Instituto de Física - UFRJ