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贝特公式

Bethe formula

moving charge energy loss formula found by Hans Bethe

贝特公式描述了 带电粒子(质子,粒子,离子)穿越介质单位距离时的平均能损,即材料的阻止本领。 对于电子来说,其能损稍有不同,主要是由于其质量较小(要求相对论更正)以及其全同性,并且由于电子的轫致辐射损失能量较多,因此也需要将这一项考虑在内。快速的带电粒子穿过材料时,与材料中原子的电子发生相互作用,从而激发或者电离材料原子,这一相互作用导致粒子的能量损失。

摘自维基百科「贝特公式」,CC BY-SA 4.0

类型
数学公式、科学理论
命名来源
汉斯·贝特、费利克斯·布洛赫
学科
物理学

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百科正文

非相对论的贝特公式由汉斯·贝特在1930年发现,而相对论版(见下文)由他在1932年发现。注意平均能损不同于最可几能损,后者由郎道-瓦维洛夫理论描述。

贝特公式有时被称为贝特-布洛赫公式,但这是一种误导(见下文)。

公式内容

速度为 v,电荷数为 z (整数,单位为基本电荷),能量为 E 的带电粒子,在电子数密度为 n,平均激发能为 I 的材料中穿越距离 x 时,在国际单位制中,相对论版的贝特公式为:其中c 是光速, ε ₀ 为真空介电常数, β =v/c, e 和 mₑ 为基本电荷和电子的静质量。

材料的电子数密度 n 可以通过下面公式来计算: (公式略)

其中 ρ 是材料的密度, Z 是材料的原子序数, A 是相对原子质量, N_(A) 是阿伏伽德罗常数, M_(u) 为摩尔质量常数。

在右图中,黑色圆圈是不同作者给出的实验测量结果,红色曲线是未修正的贝特公式。 显然,贝特公式在高能区很好地符合了实验结果。 当添加了一些修正项后,贝特公式符合得更好(图中的蓝色曲线,见下文)。

对于低能带电粒子,即相对速度 (公式略),贝特公式简化为这可以从 (1)式中将 β c 由 v 替代,并忽略其余 β ² 项得到。

在低能区,根据贝特公式,粒子的能损随 v² 的增加而降低,并在 E=3Mc² 达到最小值,其中 M 是粒子的质量(对于质子来说,该极值点约为3000 MeV)。 在极端相对论的情况下, β ≈ 1,粒子的能损对数增加,这主要是由于电场的横向分量造成的。

以上内容摘自维基百科「贝特公式」,按 CC BY-SA 4.0 使用,去掉了参考文献、外部链接等尾部小节,公式改写成了纯文本。全文、配图和出处见原文。

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