Naziv teške nabijene čestice potječe od činjenice što su one relativno znatno teže (3–4 redova veličine) od čestica s kojima interagiraju prolaskom kroz materijal, a to su elektroni. Teške nabijene čestice, među koje spadaju protoni, deuteroni, tritoni i općenito ionizirani atomi-ioni, prolaskom kroz materijal, ioniziraju okolne atome svojim električnim poljem tako da ono „povuče” za sobom bliske elektrone i izbaci ih iz veza s njihovim jezgrama. Rezultat je niz ioniziranih atoma koje poput traga nabijena čestica ostavlja za sobom. Pritom teška nabijena čestica postepeno gubi svoju energiju, odnosno brzinu, sve do zaustavljanja.

Lagane nabijene čestice, elektroni i pozitroni ioniziraju mehanizmima ionizacije drugačijim i raznolikijim. To može biti sudaranje s atomskim elektronima, proizvodnja ionizirajućeg elektromagnetskog zračenja zbog nagle promjene smjera ili brzine elektrona, poznatog pod nazivom „ zakočno zračenje”, a kad je riječ o pozitronima, njegovim susretom s elektronom, njegovom antičesticom, dolazi do njihovog poništenja – anihilacije – pretvaranja njihove mase u energiju, praćene emisijom dvije gama zrake, koje opet spadaju u ionizirajuće zračenje.

Elektromagnetsko zračenje spada u ionizirajuće zračenje u širokom intervalu valnih duljina (energija), od ultravioletnog sunčevog zračenja (λ = 4 × 10^-7 m), do ultrakratkovalnih gama zraka koje nam dolaze iz svemira (λ < 10 ^-16 m). Među ionizirajuće elektromagnetsko zračenje moramo svrstati i tzv. X-zračenje, poznato pod nazivom Roentgensko zračenje prema otkrivaču Wilhelmu Roentgenu. Ono se po svom energetskom rasponu nalazi u području „mekih” gama zraka (do energije od nekoliko stotina keV-a).

Više je efekata kojim elektromagnetsko zračenje ionizira atome materije. Jedni spadaju u direktne, one s kojima fotoni izbijaju elektrone iz elektronskog omotača atoma ili nukleone iz jezgre atoma, a drugi kojima se ionizacija događa i nakon interakcije kojih je rezultat brza nabijena čestica (čestice), poput elektrona nakon foto i Comptonskog efekta, para elektron – pozitron nakon njihovog stvaranja, a posredna ionizacija nastupa i nakon izbijanja neutrona iz jezgre.

X-zračenje

Elektroni se emitiraju iz katode i ubrzavaju na putu prema anodi, na svom putu nalijeću na tzv. antikatodu-metalnu ploču gdje se pod utjecajem polja atomskih jezgri skreću i usporavaju zračeći pri tom elektromagnetsko X zračenje poznato pod nazivom zakočno zračenje. Maksimalna energija tog zračenja upravo je jednaka maksimalnoj energiji elektrona, koja izražena u elektrovoltima iznosi eU eV-a, gdje U predstavlja napon između katode i anode u roentgenskoj cijevi.

Shematski prikaz principa generiranja X zraka

Sudaranjem neutrona s jezgrama može doći do izbijanja protona, koji je teška nabijena čestica, te se ionizacija odigrava kao u slučaju teških nabijenih čestica. Uhvatom neutrona u atomsku jezgru oslobađa se znatna energija vezanja, koja se relaksira emisijom gama zrake, tako da se ionizacija provodi elektromagnetskim zračenjem. Ukoliko se spomenuta energija oslobodi emisijom protona, tad se ionizacija opet provodi teškim nabijenim česticama. Ako su u materijalu prisutni fisibilni elemenati to će za posljedicu imati fisiju, vrlo jak izvor ionizirajućeg zračenja.

Shematski prikaz indirektne ionizacije neutronima. Uhvat neutrona rezultira jezgrom uzbuđenom energijom vezanja neutrona i poremećene ravnoteže omjera broja neutrona prema broju protona. Ravnoteža se uspostavlja emisijom beta čestice, a višak energije odnosi gama zraka.

Izvori neutrona

Najbogatiji izvor su reaktori. Energetski spektar neutrona iz fisije (primjerice ²³⁵U) proteže se od nekoliko keV-a, do više od 10 MeV-a. Istraživački reaktori imaju posebne otvore – kanale kroz koje neutroni izlaze van reaktora. Obično je njihova energija smanjena zato jer su ju prolazeći kroz jezgru, hladilac i strukturu materijala djelom izgubili.
Neutroni se proizvode i (α,n) i (γ,n) reakcijama. Izvori neutrona se tad sastoje od mješavine nuklida emitera (α ili γ zrake) kojeg zovemo „emiter” i lakog nuklida „konvertera”. U slučaju (α,n) reakcije obje komponente moraju biti jako usitnjene i dobro izmješane, kako bi α zraka izgubila što manje energije prije interakcije s jezgrom konvertera. Očito je iz same prirode procesa da će spektar neutrona u tom slučaju biti kontinuiran unutar određenog intervala. Visokoenergetske gama zrake u lakim jezgrama ( deuterij, litij, berilij) proizvode neutrone (γ,n) reakcijama. Zbog prirode reakcije spektar neutrona je diskretan. Od energije γ zrake nakon što se oduzme energija praga reakciji preostaje energija koju dijele neutron i jezgra produkt reakcije.

Klasifikacija neutrona

Pogodno je neutrone klasificirati prema njihovoj energiji. Na dnu energetske skale su „hladni” neutroni, koji su u termičkoj ravnoteži s okolinom hladnijom od sobne temperature, čija energija leži unutar intervala 0 – 0,025 eV, slijede „termički” neutroni kojima najvjerojatnija energija iznosi 0,025 eV, a u termičkoj su ravnoteži s molekulama i atomima na sobnoj temperaturi (20°C). Klasifikacija neutrona prema energiji sa nastavlja redom: „epitermički” (0,025 eV – 0,4 eV), „kadmijevski” (0,4 eV – 0,6 eV), „epikadmijevski” (0,6 eV – 1 eV), „spori” (1 eV – 10 eV), „rezonantni” (10 eV – 300 eV), „intermedijatni” (300 eV – 1 MeV), „brzi” (1 MeV – 20 MeV) i „relativistički” s energijom iznad 20 MeV-a.