关于重离子同物质的相互作用介绍

[拼音]：zhonglizi tong wuzhi de xianghu zuoyong

[外文]：interaction of heavy ion with matter

研究重离子束在物质中的能量损失率、射程、溅射、电离电荷的变化以及重离子和物质原子之间的相互电磁激发等规律。

20世纪60年代以来，离子溅射、离子注入技术和掺杂技术在工业部门有了广泛的应用。接着又出现了束－箔光谱学。70年代，开始了用重离子治疗肿瘤和癌症的临床试验。并且还用重离子来形成超重准原子和产生极强电场，出现了真空衰变为正负电子对的现象。所有这些表明了对重离子同物质相互作用的研究不仅具有现实的应用价值，也是一个新的基础研究领域。

由于重离子质量大、所带电荷多、种类可以选择（目前已经可以加速所有已知的天然核素的离子），从而就使得重离子束比质子束或α 粒子束同物质相互作用更为多样化。

重离子在物质中的射程短而确定，电离密度大，能量淀积密度大，特别在射程末端能量淀积密度达到最大值。在图中显示了物质对动能为E，质量数为A的重离子的阻止本领(单位路径上的能量损失，-dE/dx)。从图可见，重离子在单核子动能（即E/A）几百千电子伏时（高速区），阻止本领大致正比于1/E；而在低速度时，则大致正比于。 这主要是重离子的核电荷同物质中的电子作用的结果。当重离子的速度更小时，从图可见，出现一个小峰，它是由于重离子被媒质原子的屏蔽库仑势的d性散射所引起的，这个速度区被称为核阻止区。将上述三个阻止区加在一起，得到媒质对重离子阻止本领的总效果，它在图中用实线表示出来。实验表明，在相同速度下的各种重离子，射入同样的媒质时，阻止本领大致同重离子的原子序数 Z的二次方成正比。所以重离子愈重，在媒质中损失的能量也就愈大。

重离子在媒质中射程短、损失能量大的特点，在医学和可控轻核聚变的研究中有重要的实用前景。例如，用高能重离子束（如氖束）定域辐照人体内的肿瘤或癌的病灶区时，由于重离子把它携带的大量动能释放在它的射程末端的病灶组织中，可有效地破坏它们，而不致过多地损伤健康组织。实践表明，重离子束在生物组织中的相对生物效区、氧增比和线能量转移值等三项指标，都优于轻离子束和π介子束。预计在射线治疗中，重离子束将是最理想的射线。而且，还可以将医用放射性同位素重离子束自动注入到身体某一特定器官中，进行快速示踪的诊断。

重离子射程短，损失能量大的特点还可用来造成局部的高温高压条件，为引发可控聚变提供了可能性。人们设想，用多条高能铀或铋离子束，从多个方向同时轰打一个很小的金壳包装的氘-氚靶丸，就可将金壳熔化而形成高温高压的向心挤压的状态。靶丸中的氘-氚物质在这种条件下将被“点燃”，发生核聚变反应，释放出巨大的核能。这个方案是探求可控核聚变的一种颇有希望的惯性约束途径。重离子激发原子的X 射线产额和伴线数目比X 射线或电子束等激发的都大得多， 这就提供了研究原子内壳层结构的一种重要方法。

高速重离子穿过很薄的碳箔时，受到箔中密集电子和原子核等的电磁作用而被激发到原子的高剥离态和高激发态。离子束离开箔时将辐射光子以退激。对重离子束穿过箔后，在离箔不同距离处所发射的光谱的研究，是束-箔光谱学的内容。用它可得到等效于极高温下的原子能谱和能级寿命，对照天体（包括太阳）的光谱资料，可以发现天体的元素组成并算出其相对丰度。因此在天体物理研究中很有意义。

当重离子同重原子靶碰撞时，两个原子核可以相距很近，在逗留一段时间后，受两个核之间库仑排斥力而分离开。在逗留时间内，将会存在一个公共的电子壳层，即形成一个准原子。准原子的原子序数将是重离子与靶原子的原子序数的和。这样，用很重的重离子和重元素靶，就可能得到原子序数大于110的超重准原子。通过研究超重准原子的X 射线，可以了解这种天然不存在的超重原子的结构。

按照量子电动力学理论，如果超重原子的原子序数大于 173，则最内壳上的电子结合能将超过电子静止质量所对应的能量的 2倍（即1.022MeV）。在这种情况下，最内壳上的真空将衰变成正负电子对，而无需耗费别的能量。当原子序数之和大于173的两个重离子碰撞时(如U+U)，有一个临界距离，达到这一距离就会产生真空衰变而无需真正变成一个核。用铀离子轰击铀或钍的实验，已经证实了上面的理论预言。这时真空衰变的电子将填到最内壳中，而正电子则发射出来。这表明真空是物质存在的一种状态。