저지능

요약 하전미립자가 고속으로 물질 속에 돌입했을 때 어떤 비율로 그 속도가 떨어져 가는지를 나타내는 양이다. 물질 속에서 입자가 단위거리를 진행하는 동안 잃는 에너지량으로 표현하며, 이 때 일어나는 반응과 저지능은 물질의 밀도와 입자의 종류, 속도에 따라 변화한다.

단위거리를 진행하는 동안 입자가 잃는 에너지량 －dE/dx(－부호는 감소를 뜻한다)로 나타낸다. 저지능은 일반적으로 물질의 밀도나 입사 입자의 속도에 의존하며, 속도가 느려지면 크게 증가한다. 입사 입자의 종류에 따라 물질 속에서 일어나는 반응의 종류도 여러 가지이므로 저지능도 변하게 된다.

【전자의 경우】 전자가 물질 속에 침입했을 때 일어나는 반응은 우선 이온화이다. 원자의 바깥쪽을 도는 궤도전자(軌道電子) 근방을 지나면, 수평방향의 충격력을 주고 그 결과 궤도전자를 원자로부터 이탈시킨다. 이와 같은 이온화에 의한 입사 입자의 에너지손실은 그 속도의 제곱에 반비례하는데, 입사 입자의 질량과는 관계없다. 또한, 원자핵의 쿨롱전기력의 작용에 의하여 입사 전자는 가속도를 받게 되며 그 결과 빛이 방출되는데, 이것을 제동복사(制動輻射)라고 한다. 제동복사에 의한 전자의 에너지손실은 입사에너지 E_o 와 물질의 원자번호 Z에 비례하고, 입사 입자의 질량의 제곱에 반비례한다.

입사 전자의 에너지가 커지면 이온화보다도 제동복사 쪽이 저지능에 대하여 큰 영향을 미치게 된다. 제동복사에 의해 생긴 광자(光子)가 충분한 에너지를 가지는 경우에 물질 중에서 원자핵 근방을 지나게 되면 음·양의 전자 1쌍이 생기게 된다. 그 전자와 양전자는 각각 제동복사를 하게 된다. 그것에 따라 생긴 광자가 다시 전자쌍을 만든다. 이와 같이 하여 처음에는 1개였던 전자가 수많은 전자·양전자·광자의 다발을 만드는데, 이 현상을 캐스케이드샤워(cascade shower)라고 한다.

【μ 입자의 경우】 μ입자는 전자의 약 207배의 질량을 가지므로, 공기 중의 저지능에 대해서는 이온화가 중요한 역할을 한다. 제동복사는 질량이 무겁기 때문에 전자의 4만분의 1에 지나지 않는다. 따라서 μ입자는 캐스케이드샤워를 일으키지 않으나, 관통력은 매우 크다.

【π 중간자의 경우】 하전 μ중간자는 전자의 약 274배의 질량을 가지므로, 그 저지능에 대하여 이온화는 효과적이나 제동복사는 효과가 없다. 그러나 π중간자는 공기의 원자핵과 충돌하여 원자핵을 분열시켜, 여러 개의 파편을 생기게 한다. 또한 수 GeV(기가전자볼트) 이상인 π중간자가 돌입하면, 여러 개의 π중간자가 물질의 원자핵으로부터 생겨난다. 따라서 그 저지능은 복잡하다.

【양성자의 경우】 양성자에 대한 저지능은 이온화는 의미가 있으나 제동복사는 효과가 없다. 원자핵에 접근하게 되면 산란되어 입사에너지가 커지는데, 이때 원자핵 중의 핵자(核子)와의 사이의 강한 상호작용에 의해 산란되거나, 수많은 2차입자(π중간자가 많다)를 생기게 하여 급속히 에너지를 상실하게 된다.