Teškim nabijenim česticama smatramo ione (atomi koji imaju manjak ili višak elektrona), protone, deuterone, tritone, α – čestice, jednom riječju atome koji nisu neutralni jer im se broj elektrona razlikuje od broja protona u jezgri. Naziv „teške nabijene čestice” dobile su zbog činjenice da su one više od 3 reda veličine veće mase od čestica s kojima pretežno interagiraju prolaskom kroz materiju, a to su elektroni. Teška nabijena čestica prolazom kroz tvar primarno interagira svojim električnim poljem (silom) s elektronima, predajući im energiju i na taj način uzbuđujući i (ili) ionizirajući atome. Ona može elektronu predati tek manji dio svoje energije što za posljedicu ima njeno postepeno kočenje do zaustavljanja pri čemu se ona giba po pravcu. Tek iznimno dolazi do interakcije s jezgrama.

Vrlo značajna posljedica mehanizma gubitka energije nabijene čestice je da je poznavajući specifični gubitak jedne čestice, primjerice protona, lako izračunati specifični gubitak bilo koje druge čestice. Također je moguće poznavajući domet jedne čestice izračunati domet druge uz uvjet da imaju istu početnu brzinu. To nam omogućuje relacija za relativni domet:

Ona kaže da su omjeri dometa R₁/R₂ čestica s masama M₁ i M₂ upravo proporcionalni masama i obrnuto proporcionalni kvadratima njihovih naboja Z₁ i Z₂.

Specifična ionizacija-teške nabijene čestice

Prosječni gubitak energije teške nabijene čestice po jedinici puta od najveće je važnosti u dozimetriji i radijacijskoj fizici. Ta se veličina naziva specifična ionizacija i obilježava kao - dE/dx (MeV cm^-1), pri čemu predznak minus ( - ) govori da gubitak energije čestice smanjuje njenu energiju. Gubitak energije po jedinici puta proporcionalan je kvadratu naboja nabijene čestice (Z₂), obrnuto proporcionalan njenoj energiji (E), a upravo je proporcionalan gustoći (broju po jedinici volumena) elektrona sredstva (n) kroz koji se nabijena čestica kreće. Osim spomenutih faktora koji igraju dominantnu ulogu, specifična ionizacija ovisi i o slabo promjenljivoj logaritamskoj funkciji u kojoj je argument omjer energije teške čestice i prosječne energije ionizacije atoma sredstva (hν).

Uz neke aproksimacije izraz za specifičnu ionizaciju postaje:

Izraz za specifičnu ionizaciju kaže da specifična ionizacija, odnosno gubitak energije po jedinici puta, raste prema kraju puta čestice, kako se njena energija smanjuje. Vrlo često se izraz za specifičnu ionizaciju izražava u obliku –dE/ρdx (MeV/gcm^-2), jer je debljina češće izražena u jedinicama mase po jediničnoj površini, a osim toga na taj način su vrijednosti specifične ionizacije za razne materijale međusobno bliži, jer specifično gušći materijali (veći ρ), imaju i veći redni broj (veći Z).

Pod elektronom smatramo, što se djelovanja s materijalom (tvari) tiče, elektrone i pozitrone ili zajednički lake nabijene čestice, jer specifična ionizacija za obje čestice gotovo da je identična (osim za najniže energije). To se dakako ne odnosi na anihilacijski proces, koji je isključivo vezan uz pozitrone. Poput teških čestica i beta čestice mogu uzbuditi i ionizirati atome, no za razliku od njih one mogu zračiti elektromagnetsko zračenje, što je uzrokovano njihovim ubrzanjem (promjena brzine ili njezinog smjera). Taj se proces naziva zakočnim zračenjem (univerzalno prihvaćen naziv je „bremsstralung”).

Proces gubitka energije beta čestice, bitno se razlikuje od onog u teških čestica, iz dva razloga. Prvi leži u tome što je moguć gubitak vrlo velikog dijela energije prilikom jednog sudara s elektronom. Zbog jednakih masa moguće je samo u jednom centralnom sudaru izgubiti svu energiju. Drugi razlog leži u činjenici da kvantna mehanika ne razlikuje identične čestice. To znači da nakon interakcije β čestice s elektronom u materijalu, nije moguće u raspršenom paru reći koja je originalna upadna β čestica, a koja je raspršeni elektron. Stoga se u proračunima uzima, da je elektron koji nakon interakcije ima manju energiju, upravo onaj koji je bio „pogođen” upadnim elektronom.

Specifična ionizacija, odnosno gubitak energije po jediničnom prevaljenom putu za elektrone i pozitrone, samo zbog „sudaranja” s elektronima u materijalu, relativistički je i kvantnomehanički problem, drugim riječima nije jednostavan za računanje. Dodatno, elektroni (i pozitroni) gube energiju osim „sudaranjem” s elektronima u materijalu i zbog emisije elektromagnetskog zračenja kao posljedice kočenja i nagle promjene smjera pod utjecajem međudjelovanja s jakim električnim poljem jezgara. Ukratko, gubitak energije po jedinici puta izražava se zbrojem doprinosa oba procesa.

Doseg elektrona

Očito je da se doseg elektrona (beta čestica) u materijalu ne može izražavati na isti način, kao što je to načinjeno za teške, nabijene čestice. Oni mogu u jednom jedinom sudaru, odnosno kočenju izgubiti veliki dio ili svoju cijelu energiju. S druge strane zbog jednake mase s česticama, s kojima integriraju, njihove staze mogu biti znatno dulje, nego što će to pokazati „dubina prodiranja” kroz materijal u smjeru prvobitne brzine.

Brojna mjerenja poslužila su za formiranje približnih formula, za određivanje „dosega” elektrona u smislu njegova prodiranja u smjeru prvobitne brzine. Sljedeće empiričke relacije, daju doseg R elektrona u jedinicama g/cm², u ovisnosti o kinetičkoj energiji E u MeV-ima. Ona vrijedi za materijale malog rednog broja i energije 0.01 ≤ E ≤ 2.5 MeV:

R = 0,412•E^{1,27 - 0.0954 ln E} (g/cm²).

Za energije iznad: 2,5 MeV imamo:

R = 0,53 E - 0,106 (g/cm²).

Za razliku od nabijenih čestica, fotoni su električki neutralni i ne gube energiju postupno. Ustvari, oni zbog svoje električke neutralnosti spadaju u prodorne čestice i prolaze određenu udaljenost, prije nego li integriraju s atomom. Koliko će daleko foton dospjeti prije interakcije, o tome odlučuju statistički procesi, odnosno vjerojatnost interakcije po jedinici prevaljenog puta. Pri njoj foton može biti apsorbiran ili raspršen mijenjajući svoj smjer s ili bez gubitaka energije. Glavni mehanizmi gubitka energije fotona su: fotoefekt, komptonsko raspršenje i tvorba parova.

Kod fotoefekta foton nestaje, a njegova se energija utroši na rad izlaza elektrona iz atoma i na njegovu kinetičku energiju. Da bi se fotoefekt dogodio nužno je da elektron bude vezan u atomu. Komptonsko raspršenje događa se na slobodnim (slabo vezanim) elektronima, a rezultat je raspršeni foton niže energije i elektron s energijom jednakom razlici između prvobitne energije fotona i energije raspršenog fotona. Tvorba parova događa se u polju neke jezgre, a za nju je uvjet da energija fotona bude veća od 2 mc² = 1,02 MeV. Pri tom se energija fotona utroši na stvaranje para elektron – pozitron i na njihovu kinetičku energiju.

Fotoefekt

Fotoefekt je proces, pri kojem foton izbaci elektron iz neke površine ili iz atoma, pri čemu dolazi do njegova potpunog gubitka energije, odnosno njegovog nestajanja. Energija fotona se pritom utroši na energiju vezanja dotičnog elektrona i na davanje kinetičke energije, tad već slobodnom elektronu:

E_γ = W + E_kin

Energija fotona E_γ utrošena je na izlazni rad W i na kinetičku energiju izbačena elektrona E_kin. Izlazni rad W, tipično za metal iznosi nekoliko eV-a, što je zanemarivo prema energijama gama i X – zraka, no izbacivanje elektrona iz atoma može zahtijevati i energiju reda veličine 100 keV-a, ako se radi o najjače vezanim, tzv. K-elektronima. Štoviše, kad se promatra vjerojatnost fotoefekta vidi se da je vjerojatnost ( udarni presjek) za fotoefekt najveća za K-elektrone elemenata s najvećim rednim brojem (Z), što znači za najjače vezane elektrone.

Udarni presjek za fotoefekt proporcionalan je petoj potenciji rednog broja materijala i obrnuto proporcionalan energiji elektrona na 7/2 :

Relacija pokazuje da će fotoefekt biti dominantan na niskim energijama fotona (mali E) i na materijalima velikog rednog broja (veliki Z). Očito je da minimalna energija fotona potrebna za fotoefekt iznosi upravo W, kad elektron postane slobodan, no bez vlastite kinetičke energije. Može li doći do potpunog transfera energije fotona slobodnom elektronu? Odgovor je negativan. Elektron mora biti vezan uz atom, koji je nužan kao treće tijelo, da bi sudjelovao u preuzimanju dijela količine gibanja fotona, koja mora u reakciji ostati sačuvana.

Komptonsko raspršenje

Raspršenje fotona energije E_γ na slobodnom i mirnom elektronu rezultira u rađanju fotona niže energije raspršenom pod kutom θ, s tim da se prethodno miran elektron odbije pod kutom Φ, što je opisano slijedećom slikom.

Uz raspršenje fotona na slobodnom elektronu.

Komptonski raspršen foton koji je prije raspršenja imao energiju hν i količinu gibanja hν/c, raspršen pod kutom θ ima energiju hν' i količinu gibanja hν'/c. Elektron je raspršen pod kutom Φ s energijom E' i količinom gibanja p'. Primjenom zakona sačuvanja energije i količine gibanja moguće je odrediti sve relevantne veličine nakon raspršenja. Relacija koja povezuje energiju fotona prije i poslije raspršenja glasi:

Energija elektrona jednaka je razlici E' - E. Najmanja energija raspršenog fotona posljedica je raspršenja pod kutom θ = π i iznosi 0,796 E.

Proizvodnja parova

Fotoni energije veće od 2mc² mogu stvoriti par elektron-pozitron u polju atomske jezgre. Ona je nužna iz sličnog razloga zbog kojih je u slučaju fotoefekta bila nužna prisutnost trećeg tijela –atoma. To znači da stvoreni par elektron-pozitron nije u mogućnosti preuzeti svu veličinu gibanja fotona, koji u tom procesu nestaje. Energija fotona troši se na :

E_γ = 2mc² + E₊ + E_-.

E₊ i E_- predstavljaju kinetičke energije novostvorenog para. Raspodjela energije između elektrona i pozitrona je kontinuirana, tako da jedan može preuzeti svu energiju. Međutim, energetski spektri elektrona i pozitrona su gotovo identični. Efekt postaje vjerojatniji s porastom energije fotona i s porastom (približno) kvadrata rednog broja jezgre, u čijem se polju tvorba para odigrava.

Inverzni proces zove se anihilacija (poništenje). Pozitron se ponajprije uspori, privuče jedan elektron i formira pozitronij. To je sustav sličan vodikovu atomu, s tim da umjesto protona imamo pozitron, koji zajedno s elektronom kruži oko zajedničkog centra mase. Kako je prije anihilacije sustav (pozitronij) bio na miru, nužno se moraju formirati dvije gama zrake, svaka energije 0,511 MeV, koje se raspršuju pod kutom od 180°. Stvaranje 0,511 Mev-skih gama zraka tamo gdje je prisutan izvor pozitrona, predstavlja radijacijski rizik

Fotonuklearne reakcije

Foton može biti apsorbiran od strane jezgre i pritom izbaciti jedan nukleon. To nazivamo fotodezintegracijom . Primjer je reakcija:

²⁰⁶₈₂Pb(γ,n)²⁰⁶₈₂Pb.

U njoj se emitira neutron. Foton nužno mora imati energiju veću od energije vezanja neutrona, a koja iznosi nekoliko MeV-a. Dakle, fotonuklearne reakcije mogu proizvesti neutrone, koji također predstavljaju radijacijski rizik.

Koeficijenti prigušenja gama zračenja

Djelovanjem sva tri procesa interakcije gama zračenja s atomima i elektronima u materijalu kroz koji zračenje prolazi, dolazi do prigušenja snopa gama zraka. Ako s N(x) označimo broj gama fotona u snopu na mjestu određenom koordinatom x, tad vrijedi zakon prigušenja snopa:

μ predstavlja linearni koeficijent prigušenja, a μ/ρ takozvani maseni koeficijent prigušenja, gdje ρ predstavlja gustoću materijala. U tom se slučaju „debljina” materijala izražava u jedinicama g/cm².

Glavne interakcije koje neutralna teška čestica–neutron doživljava prilikom prolaska kroz materiju su elastično raspršenje, neelastično raspršenje, nuklearna reakcija, neutronska aktivacija i fisija. Elastično raspršenje je, kao što nam govori naziv, raspršenje pri kojem je ukupna energija neutrona i čestice na kojoj se raspršenje dogodilo, sačuvana, ali je neutron izgubio dio svoje kinetičke energije. Posebno je značajno elastično raspršenje na protonima–jezgrama vodika, jer tad je moguć, u samo jednom (centralnom ) sudaru, potpuni gubitak energije neutrona. Kad su protoni u pitanju tada prosječan gubitak energije neutrona pri jednom sudaru iznosi 50% početne energije. Neelastično raspršenje značajno je manje vjerojatno od elastičnog. Pri njemu neutron interakcijom–sudarom s jezgrom atoma pobudi jezgru na viši energetski nivo i na taj način izgubi dio svoje energije. U praksi je vrlo značajno neelastično raspršenje neutrona na jezgri željeza. U nuklearnim reakcijama neutron kao slobodna čestica nestaje, a kao produkt reakcije ostaje nova jezgra i oslobađa se neka čestica, proton, deuteron, triton, alfa ili samo gama kvant. Primjer je formiranje jezgre teškog vodika reakcijom neutrona s protonom. Neutronska aktivacija poseban je slučaj nuklearne reakcije, kad dođe do uhvata neutrona od strane stabilne jezgre, čime se stabilni izotop pretvori u nestabilan, postaje radioaktivan i raspada se. Fisija zahtjeva postojanje fisibilnih jezgara u materijalu, koje se uhvatom neutrona i oslobađanjem njegove energije vezanja, uzbude do mjere kad dolazi do njihova cijepanja na dvije lakše jezgre uz oslobađanje 2–3 neutrona. Ako sama energija vezanja nije dovoljna fisija će zahtijevati da uhvaćeni neutron posjeduje dodatnu energiju, koja će pribrojene energiji vezanja ostvariti energija praga fisije.