M I T O C W | I o n - N u c l e a r I n t e r a c t i o n s I I — B r e m s s t r a h l u n g , X - R a y S p e c t r a , C r o s s S e c t i o n s
T h e f o l l o w i n g c o n t e n t i s p r o v i d e d u n d e r a C r e a t i v e C o m m o n s l i c e n s e . Y o u r s u p p o r t w i l l h e l p M I T O p e n C o u r s e W a r e c o n t i n u e t o o f f e r h i g h - q u a l i t y e d u c a t i o n a l r e s o u r c e s f o r f r e e . T o m a k e a d o n a t i o n o r t o v i e w a d d i t i o n a l m a t e r i a l s f r o m h u n d r e d s o f M I T c o u r s e s , v i s i t M I T O p e n C o u r s e W a r e a t o c w . m i t . e d u .
M I K E S H O R T : A l l r i g h t . S o I a m s u p e r e x c i t e d a b o u t t o d a y b e c a u s e t h i s i s , i n m y o p i n i o n , t h e h i g h e s t p o i n t o f t h e a p e x o f t h e c o u r s e w h e r e w e ' r e g o i n g t o p u t t o g e t h e r e v e r y t h i n g y o u ' v e d o n e s o f a r a n d s t a r t t o e x p l a i n t h i n g s l i k e B r e m s s t r a h l u n g , r a d i a t i o n d a m a g e , X - r a y s p e c t r a t h a t y o u g e t i n a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e , a n d a c t u a l l y f i n d a w a y w h e r e c r o s s - s e c t i o n s a r e a r e a s .
R e m e m b e r b e f o r e , I t o l d y o u g u y s c r o s s - s e c t i o n i s m e a s u r e d i n b a r n s , i n c e n t i m e t e r s s q u a r e d ? T h i n k o f i t k i n d o f l i k e a n a r e a . W e ' l l a c t u a l l y b e a b l e t o s h o w m a t h e m a t i c a l l y t h a t s o m e o f t h e m d o d e r i v e f r o m a c t u a l a r e a s . S o i t w i l l m a k e a l o t m o r e s e n s e . I t ' s n o t j u s t a n a b s t r a c t c o n c e p t .
W h a t I w a n t t o d o i s a q u i c k r e v i e w o f t h e i o n i z a t i o n a n d e x c i t a t i o n c o l l i s i o n s t h a t w e d i d l a s t t i m e . R e m e m b e r w e h a d t h i s i m a g i n a r y h o l l o w c y l i n d e r w h e r e w e s a i d t h a t t h e r e i s s o m e i o n t r a v e l i n g i n t h i s d i r e c t i o n w i t h c h a r g e , l e t ' s s a y , z t i m e s t h e e l e c t r o n c h a r g e a n d i t ' s c o l l i d i n g , k i n d o f , w i t h a n e l e c t r o n s o m e w h e r e e l s e s e p a r a t e d b y s o m e i m p a c t p a r a m e t e r b . A n d l e t ' s s a y t h i s h o l l o w c y l i n d e r h e a d a s h e l l o f t h i c k n e s s d b .
A n d w e s t a r t e d o f f w i t h t h i s s i t u a t i o n w h e r e w e w a n t e d t o s a y - - w e c a n f i n d t h e y m o m e n t u m a s t h e i n t e g r a l o f t h e y f o r c e . W e d i d s o m e t h i n g . A n d o n e o f t h e i n t e r m e d i a t e s t e p s w e c a m e u p w i t h w a s t h a t o u r e n e r g y i n p a r t o f t h e e l e c t r o n i s p s q u a r e d o v e r 2 t i m e s m a s s o f t h e e l e c t r o n , w h i c h c a m e o u t t o 2 z s q u a r e d e t o t h e 4 t h o v e r t h e m a s s o f t h e e l e c t r o n i m p a c t p a r a m e t e r s q u a r e d v e l o c i t y s q u a r e d .
T h e n w e m u l t i p l i e d b y t h e e l e c t r o n d e n s i t y i n t h e m a t e r i a l , w h i c h w a s t h e n u m b e r d e n s i t y o f a t o m s t i m e s z , t h e n u m b e r o f e l e c t r o n s p e r a t o m , t i m e s t h e a r e a , t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h i s h o l l o w c y l i n d r i c a l s h e l l , w h i c h c a m e o u t t o 2 p i b , w h i c h i s t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h a t c i r c l e r i g h t t h e r e , t i m e s d b d x . I ' m j u s t g o i n g t o l e a v e t h a t t h e r e f o r n o w , a n d w e ' l l c o m e b a c k t o i t i n a s e c o n d .
I w i l l m e n t i o n , t h o u g h , t h a t a t t h e e n d , w e c a m e u p w i t h o u r s t o p p i n g p o w e r e x p r e s s i o n . L e t ' s
c a l l t h i s i o n i z a t i o n s t h a t c a m e o u t t o 4 p i , t h i s c o n s t a n t k 0 s q u a r e d , w h i c h c o m e s f r o m t h e C o u l o m b f o r c e l a w , l i t t l e z s q u a r e d , b i g Z , e t o t h e 4 t h o v e r m a s s o f t h e e l e c t r o n v e l o c i t y s q u a r e d - - I ' m r u n n i n g o u t o f r o o m - - t i m e s l o g o f m a s s o f t h e e l e c t r o n v s q u a r e d o v e r t h i s m e a n e x c i t a t i o n e n e r g y , w h i c h c o m e s o u t t o a r o u n d , l e t ' s s a y , 1 0 t o 1 9 e l e c t r o n v o l t s t i m e s z .
A n d w h a t t h i s m e a n t w a s t h a t i f w e g r a p h s t o p p i n g p o w e r a s a f u n c t i o n o f e n e r g y , t h e r e ' s a c o u p l e c o m p o n e n t s t o i t . O n e o f t h e m i s t h i s r o u g h l y 1 o v e r e n e r g y c o m p o n e n t . S o l e t ' s s a y t h e r e ' s a c o m p o n e n t o f i t - - y e s , I l o v e w h e n I c a n d o t h a t - - t h a t a c t u a l l y - - t h a t f o l l o w s 1 o v e r e . A n d t h e r e ' s t h i s l o g a r i t h m i c c o m p o n e n t t h a t g o e s t h a t w a y .
A n d i f w e s u m t h e m t o g e t h e r , w e e n d e d u p w i t h a m u c h h i g h e r s t o p p i n g p o w e r a t l o w e n e r g i e s . B u t a r o u n d t h i s l o c a l m i n i m u m o f a b o u t 3 t i m e s t h e m a s s o f t h e e l e c t r o n c s q u a r e d , i t s t a r t s t o i n c r e a s e a g a i n . A n d t h a t ' s d u e t o t h i s . H o w m a n y e x c i t a t i o n s c a n y o u m a k e a s a f u n c t i o n o f e n e r g y ? S o i f y o u t h i n k a b o u t i t , t h i s i s k i n d o f l i k e a n e n e r g y t e r m . H o w m u c h e n e r g y d o y o u h a v e d i v i d e d b y h o w m a n y i o n i z a t i o n s c a n y o u m a k e ? S o i t ' s k i n d o f a n i n t u i t i v e r e s u l t i n t h a t i t ' s h o w m u c h e n e r g y y o u ' v e g o t v e r s u s h o w m u c h e n e r g y i t t a k e s f o r a s i n g l e u n i t p r o c e s s . A n d t h a t ' s a l l m e d i a t e d b y t h i s 1 o v e r e t e r m .
T h e l a s t t h i n g t h a t w e s a i d i s t h a t t h i s c u r v e s b a c k d o w n h e r e . A n d t h a t ' s b e c a u s e a t a r o u n d 5 0 0 t i m e s t h i s m e a n e x c i t a t i o n e n e r g y , w h i c h a s y o u c a n s e e i s a r o u n d 1 k e V t i m e s z - - i t ' s n o t a v e r y h i g h e n e r g y - - y o u s t a r t t o g e t c h a r g e d n e u t r a l i z a t i o n . T h e r e a s o n f o r t h a t i s t h a t f o r - - i n o r d e r f o r t h i s f o r m u l a t o w o r k , w e h a v e t o a s s u m e t h a t t h e d e f l e c t i o n i s r e a l l y , r e a l l y , r e a l l y s m a l l , i n f i n i t e s i m a l l y s m a l l . I f i t ' s n o t , a n d i f t h e i o n m a n a g e s t o c a t c h t h a t e l e c t r o n , i t ' s n o t g o i n g t o l o s e e n e r g y b y u n d e r g o i n g a C o u l o m b i n t e r a c t i o n . I t ' s g o i n g t o l o s e e n e r g y b y a b s o r b i n g t h a t e l e c t r o n a n d n e u t r a l i z i n g .
A n d s o f o r r e a l l y l o w e n e r g y , t h e i o n s a r e m o v i n g s o s l o w l y t h a t t h e y c a n c a p t u r e s o m e o f t h o s e e l e c t r o n s . A n d i t g e t s l e s s a n d l e s s e f f e c t i v e a t s t o p p i n g t h e m a t e r i a l . A n d t h i s l e d t o - - l e t ' s s e e - - t h i s , w e ' r e d i s t a n c e , a n d t h i s , w e ' r e d t d x t i m e s t h e e n e r g y r e q u i r e d t o m a k e a n i o n p a i r , w h i c h w e ' l l j u s t c a l l t h i s i . W e e n d e d u p w i t h a c u r v e t h a t l o o k e d s o m e t h i n g l i k e t h i s . T h i s r i g h t h e r e w e c a l l t h e r a n g e . W e j u s t g a v e t h a t t h e s y m b o l r .
S o t h a t ' s t h e r e v i e w o f l a s t t i m e , b u t I l e f t s o m e e x t r a s p a c e f o r s o m e r e a s o n s w h i c h w i l l b e c o m e c l e a r i n a b o u t h a l f a n h o u r . R i g h t n o w I w a n t t o t a k e y o u t h r o u g h a l i t t l e b i t o f a w h i r l w i n d i n t e r m s o f B r e m s s t r a h l u n g . I ' m n o t g o i n g t o d e r i v e a n y t h i n g a b o u t i t . W e ' r e j u s t g o i n g t o g o o v e r w h a t t h e c r o s s - s e c t i o n s a n d s t o p p i n g p o w e r s l o o k l i k e , w h y t h e y t a k e t h a t
f o r m i n t u i t i v e l y . B u t w e ' r e n o t g o i n g t o g o t h r o u g h a r i g o r o u s d e r i v a t i o n b e c a u s e , w e l l , w e s i m p l y d o n ' t h a v e t i m e . B u t I d o w a n t y o u t o k n o w w h a t s o r t o f t h i n g s e x i s t .
S o f o r B r e m s s t r a h l u n g , b e t t e r k n o w n a s b r a k i n g r a d i a t i o n - - w h o ' s a c t u a l l y h e a r d o f t h i s b e f o r e ? D o e s a n y o n e k n o w r o u g h l y - - l e t ' s s a y i f w e w e r e t o s a y s o m e c r o s s - s e c t i o n f o r B r e m s s t r a h l u n g . L e t ' s c a l l i t c r o s s - s e c t i o n r a d i a t i v e . B e c a u s e i n t h i s c a s e , w e ' r e a c t u a l l y t a l k i n g a b o u t t h e c h a r g e d p a r t i c l e r a d i a t i n g a w a y p h o t o n s .
S o l e t ' s s a y w e h a d s o m e n u c l e u s o f c h a r g e b i g Z , a n d w e h a d s o m e i o n - - w e ' l l l o o k a t a d i f f e r e n t c o l o r - - s o m e i o n o f c h a r g e l i t t l e Z m o v i n g t o w a r d s i t . I t w i l l e i t h e r b e a t t r a c t e d o r r e p e l l e d d e p e n d i n g o n w h a t t h e s i g n l o o k s l i k e . A n d s o m e t i m e s y o u m i g h t g e t r a d i a t i o n o f a p h o t o n . L e t ' s c a l l i t o f e n e r g y E e q u a l s h c o v e r l a m b d a . T h a t ' l l b e c o m e i m p o r t a n t i n a s e c .
S o t h i s r a d i a t i v e c r o s s - s e c t i o n - - I d o n ' t c a r e a b o u t - - p a r t i c u l a r l y c a r e a b o u t t h e e x a c t f o r m , b u t w h a t i s i t p r o p o r t i o n a l t o ? W h a t s o r t o f f a c t o r s d o y o u t h i n k w o u l d m a k e t h e e m i s s i o n o f t h a t p h o t o n m o r e o r l e s s l i k e l y ? Y e a h ?
A U D I E N C E : T h e e n e r g y o f t h e c h a r g e d p a r t i c l e .
M I K E S H O R T : S u r e , t h e e n e r g y o f t h e c h a r g e d p a r t i c l e . S o y o u c a n - - t h e r e ' s o n e e x p r e s s i o n I l i k e y o u . C a n o n l y t a k e m y m o n e y u n t i l y o u t a k e i t a l l . W e l l , t h e s a m e t h i n g g o e s f o r t h e e n e r g y o f a p h o t o n .
Y o u c a n ' t r a d i a t e a n y m o r e t h a n t h e e n e r g y o f t h e p a r t i c l e c o m i n g i n , s o t h e r e ' s g o i n g t o b e s o m e m a x i m u m e n e r g y w h i c h i s g o i n g t o c o r r e s p o n d t o s o m e m i n i m u m w a v e l e n g t h , w h i c h i s - - l e t ' s s a y i f w e j u s t p u t o u r i n i t i a l e n e r g y i n h e r e , t h a t g i v e s u s o u r m i n i m u m w a v e l e n g t h r i g h t t h e r e . T h a t ' s t r u e .
A n d i t c a n r a d i a t e a t a n y e n e r g y s m a l l e r t h a n t h a t o r a n y w a v e l e n g t h l a r g e r t h a n t h a t . I ' m b a s i c a l l y s a y i n g t h e s a m e t h i n g . B e c a u s e i f t h i s p a r t i c l e s t a r t e d o f f f u r t h e r a w a y a n d f e l t l e s s o f a d e f l e c t i o n , i t c o u l d s t i l l e m i t a p h o t o n , b u t o f a l o n g e r w a v e l e n g t h . D o n ' t h a v e r o o m t o d r a w e n o u g h w a v e l e n g t h s , b u t I w a n t t o m a k e s u r e t h a t ' s p h y s i c a l l y a c c u r a t e .
S o i t ' s a c t u a l l y g o i n g t o b e a l s o p r o p o r t i o n a l t o z o f t h e l a r g e n u c l e u s . T h e s t r o n g e r t h e p u l l , t h e m o r e o f t h a t b r e a k i n g r a d i a t i o n y o u ' r e g o i n g t o s e e . I t ' s a c t u a l l y p r o p o r t i o n a l t o z s q u a r e d . W h a t t h i s s a y s i s t h a t h e a v i e r z m a t e r i a l s p r o d u c e a l o t m o r e o f t h i s b r e a k i n g r a d i a t i o n . A n d i t ' s a l s o p r o p o r t i o n a l t o t h e i n v e r s e o f t h e m a s s s q u a r e d . W h a t t h i s s a y s i n t u i t i v e l y i s a h e a v i e r p a r t i c l e d e f l e c t s l e s s a n d e m i t s l e s s o f t h i s b r e a k i n g r a d i a t i o n .
H o p e f u l l y t h i s m a k e s a l o t o f s e n s e t o y o u g u y s , t h a t t h e s t r o n g e r t h e p u l l o f t h e n u c l e u s , t h e m o r e d e f l e c t i o n y o u ' r e g o i n g t o g e t , a n d t h e m o r e B r e m s s t r a h l u n g y o u ' l l g e t . T h e l a r g e r t h e m a s s o f t h e i n c o m i n g i o n - - l e t ' s s a y t h a t ' s m a s s m - - t h e l e s s d e f l e c t i o n y o u ' l l g e t b e c a u s e t h e l e s s - - w h a t i s i t ? T h e l e s s m o m e n t u m t r a n s f e r y o u c a n a p p l y w i t h t h e s a m e f o r c e i f y o u ' v e g o t a h e a v i e r p a r t i c l e . D o e s t h i s m a k e s e n s e t o e v e r y b o d y ?
S o w h a t t h i s s a y s i s i t ' s r e a l l y i m p o r t a n t f o r h i g h z m a t e r i a l s . A n d w e ' l l s e e a l i t t l e b i t w h y . I f I a c t u a l l y w r i t e t h e f u l l e x p r e s s i o n f o r s t o p p i n g p o w e r - - a n d I p r o m i s e t o y o u I ' m n o t g o i n g t o d e r i v e i t b e c a u s e w e d o n ' t r e a l l y h a v e t h e t i m e f o r t h a t . I t ' s p r o p o r t i o n a l t o t h e n u m b e r d e n s i t y . Y o u s h o u l d a l w a y s t h i n k t h e r e w i l l b e a n u m b e r d e n s i t y a n d s t o p p i n g p o w e r , b e c a u s e t h e m o r e a t o m s t h e r e a r e , t h e m o r e t h e y s t o p t h i n g s . I t ' s j u s t d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l . T i m e s t h a t k i n e t i c e n e r g y p l u s m e c s q u a r e d . A n d a g a i n , t h i s i s n o t s o m e t h i n g I w a n t y o u t o m e m o r i z e , b u t i t i s s o m e t h i n g I w a n t y o u t o b e a b l e t o d e c o m p o s e a n d e x p l a i n w h y t h e p a r t s a r e t h e r e .
L e t ' s s e e . T i m e s s o m e r a d i a t i v e c r o s s - s e c t i o n w h e r e t h i s s i g m a r a d i a t i v e i s s o m e c o n s t a n t c r o s s - s e c t i o n . T h i s e n d s u p b e i n g a b o u t 1 / 5 0 0 b a r n s t i m e s z s q u a r e d t i m e s t h i s p a r a m e t e r b , w h i c h i f y o u s e e i n t h e r e a d i n g i s a c t u a l l y g i v e n j u s t - - t h i s b s c a l e s r o u g h l y w i t h t h e a t o m i c - - I ' m s o r r y - - y e a h , w i t h t h e p r o t o n n u m b e r o f t h e m a t e r i a l . S o y o u c a n s e e t h a t i n h e r e , i n t h e s t o p p i n g p o w e r i s a c t u a l l y d i r e c t l y t h e c r o s s - s e c t i o n . S o t h e c o m p o n e n t s o f a s t o p p i n g p o w e r - - t h e r e ' s g o i n g t o b e s o m e p r o b a b i l i t y o f i n t e r a c t i o n , a n d t h e r e ' s g o i n g t o b e s o m e e n e r g y t r a n s f e r p a r t .
T h i s i s a n i n t e r e s t i n g r e s u l t t o s h o w . T h i s i s w h y I w a n t e d t o j u s t w r i t e t h e B r e m s s t r a h l u n g s t o p p i n g p o w e r . B e c a u s e i n h e r e , a c t u a l l y , i s t h e c r o s s - s e c t i o n t i m e s s o m e o t h e r s t u f f . P r e t t y n e a t r e s u l t . A n d s o n o w I w a n t t o s h o w y o u h o w o u r c r o s s - s e c t i o n i s a c t u a l l y c o n t a i n e d i n t h e i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r .
S o l e t ' s b r i n g t h i s b a c k d o w n f o r a s e c . Y o u c a n t h i n k o f t h e l i k e l i h o o d t h a t t h e i o n c o m e s o f f w i t h a n y p a r t i c u l a r e n e r g y t o b e d i r e c t l y r e l a t e d t o t h i s i m p a c t p a r a m e t e r . B e c a u s e a s w e s a w , t h e f i n a l e x p r e s s i o n f o r s t o p p i n g p o w e r i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h i s p a r a m e t e r b . W e e n d e d u p i n t e g r a t i n g o v e r a l l p o s s i b l e b t o g e t t h e t o t a l s t o p p i n g p o w e r i n t h e m a t e r i a l .
B u t i f w e d i d n ' t d o t h a t i n t e g r a l - - i f w e s t o p p e d , l e t ' s s a y , a t t h i s s t a g e i n t h e g a m e , a n d w e s a i d , a l l r i g h t , w e l l , t h e s t o p p i n g p o w e r a t s o m e f i x e d b a c t u a l l y d e p e n d s o n t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h a t p a r t i c l e e n t e r s i n t o t h i s c r o s s - s e c t i o n a l a r e a r i g h t h e r e , t h i s 2 p i b d b , t h a t r i g h t t h e r e i s t h e c r o s s - s e c t i o n f o r s c a t t e r i n g a s a f u n c t i o n o f t h e i n c o m i n g e n e r g y a n d t h e o u t g o i n g e n e r g y .
T h i s i s o n e o f t h e c o o l e s t p a r t s , I t h i n k , i s t h a t t h e r e i s a n a c t u a l a r e a r i g h t h e r e . I t ' s t h e a r e a o f a h o l l o w c i r c l e i s t h e a c t u a l c r o s s - s e c t i o n f o r s c a t t e r i n g w i t h a g i v e n i n g o i n g a n d o u t g o i n g , o u t c o m i n g e n e r g y . A n d t h e n t h e r e s t o f t h i s s t u f f - - i f y o u p u l l a l l t h i s t o g e t h e r , i f y o u t a k e a m i c r o s c o p i c c r o s s - s e c t i o n t i m e s t h e n u m b e r o f p a r t i c l e s t h a t a r e t h e r e - - b e c a u s e t h i s i s y o u r a t o m i c n u m b e r d e n s i t y , a n d t h e s e t w o t o g e t h e r a r e y o u r e l e c t r o n n u m b e r d e n s i t y . L i k e w e t a l k e d a b o u t b e f o r e w i t h r e a c t i o n r a t e s a n d c r o s s - s e c t i o n s , t h i s t h i n g r i g h t h e r e i s y o u r m a c r o s c o p i c c r o s s - s e c t i o n f o r a n i n c o m i n g a n d a n o u t g o i n g e n e r g y c o n t a i n e d d i r e c t l y i n t h e s t o p p i n g p o w e r f o r m u l a , b e c a u s e t h e n w e i n t e g r a t e d o v e r a l l p o s s i b l e c r o s s s e c t i o n s , w h i c h m e a n s a l l p o s s i b l e o u t g o i n g e n e r g i e s f o r a g i v e n i n c o m i n g e n e r g y .
A n d s o t h e l a s t b i t , t h e w a y t o l i n k t h e s e t w o t o g e t h e r , w h i c h i s w h y I l e f t a l i t t l e b i t o f s p a c e r i g h t h e r e - - w e k n o w r i g h t n o w , b e c a u s e I w r o t e i t u p t h e r e , t h a t t h e s c a t t e r i n g c r o s s - s e c t i o n a s a f u n c t i o n o f t h e i n g o i n g a n o u t g o i n g e n e r g y p e r u n i t e n e r g y i s j u s t t h e a r e a o f t h a t h o l l o w c i r c l e . S o l e t ' s d i v i d e e v e r y t h i n g b y d t . W e e n d u p w i t h t h e t o t a l f o r m u l a f o r c r o s s - - f o r t h e s c a t t e r i n g c r o s s - s e c t i o n .
W e d o n ' t k n o w w h a t t h i s b d b d t i s . W h a t ' s t h e d i f f e r e n t i a l p r o b a b i l i t y b e t w e e n i m p a c t p a r a m e t e r a n d o u t g o i n g e n e r g y ? W e d o n ' t q u i t e k n o w , b u t w e c a n e x p r e s s t h i s a s a c h a n g e o f v a r i a b l e s t h a t w e d o k n o w . W e d o k n o w - - i f w e h a v e a c e r t a i n i m p a c t p a r a m e t e r , w e k n o w w h a t t h e s c a t t e r i n g a n g l e i s g o i n g t o b e . T h e r e i s a w e l l - k n o w n r e l a t i o n f o r t h a t . A n d t h e r e ' s a d e r i v a t i o n i n t h e b o o k a n d i n a n o t h e r b o o k t h a t I w a n t t o p o i n t o u t t o y o u g u y s b y G a r y W a s c a l l e d F u n d a m e n t a l s o f R a d i a t i o n M a t e r i a l S c i e n c e o n p a g e 3 2 . I f a n y o n e w a n t s t o s e e t h e d e r i v a t i o n f r o m w h i c h t h i s r e s u l t c a m e f r o m , y o u c a n h e a d r i g h t t h e r e , a n d i t ' s f r e e o n M I T L i b r a r i e s .
M e a n w h i l e , w e d o k n o w o u r r e l a t i o n b e t w e e n t h i s i m p a c t p a r a m e t e r a n d t h e a n g l e , a n d w e d o k n o w a r e l a t i o n b e t w e e n t h i s a n g l e a n d t h e o u t g o i n g e n e r g y . A n d t h i s i s w h e r e s o m e o f t h e h a r d s p h e r e c o l l i s i o n s t u f f c o m e s i n . W h a t ' s t h e m a x i m u m a m o u n t o f e n e r g y t h a t a p a r t i c l e c a n i m p a r t t o a n o t h e r p a r t i c l e i n s o m e s o r t o f a h a r d , s p h e r e - l i k e c o l l i s i o n ?
L e t ' s t a k e t h e e a s y e x a m p l e . I f t h e t w o p a r t i c l e s h a v e e q u a l m a s s , h o w m u c h e n e r g y c a n o n e p a r t i c l e i m p a r t t o a n o t h e r ?
A U D I E N C E : A l l o f i t .
M I K E S H O R T : A l l o f i t , r i g h t ? I t c a n i m p a r t a m a x i m u m o f , l e t ' s s a y , t h i s i n c o m i n g e n e r g y e i . A s t h o s e m a s s r a t i o s c h a n g e , y o u c a n i m p a r t a m a x i m u m - - l e t ' s s a y y o u r m a x i m u m b e c o m e s w h a t ' s c a l l e d
g a m m a e i w h e r e t h i s g a m m a r i g h t h e r e i s 4 t i m e s t h o s e t w o m a s s e s m u l t i p l i e d o v e r t h e s u m s q u a r e d . T h e f u l l e x p r e s s i o n - - I ' m g o i n g t o u s e a d i f f e r e n t c o l o r b e c a u s e I ' m r u n n i n g o u t o f s p a c e h e r e . T h e f u l l e x p r e s s i o n f o r t i s a c t u a l l y g a m m a e i o v e r 2 t i m e s 1 m i n u s c o s i n e t h e t a .
T h e t w o i n t u i t i v e l i m i t s f r o m t h i s i s i f t h e t a e q u a l s p i , t h e n t h i s h e r e e q u a l s 2 , a n d t i s o u r t m a x i m u m , j u s t g a m m a t i m e s e i . I f t h e t a e q u a l s 0 , t h a t w h o l e t h i n g e q u a l s 0 . A n d i n o u r c a s e o f f o r w a r d s c a t t e r i n g , n o i n t e r a c t i o n o c c u r s , a n d t h e e n e r g y i m p a r t e d i s 0 . B u t t h e i m p o r t a n t p a r t h e r e i s w e h a v e a d i r e c t r e l a t i o n b e t w e e n t a n d t h e t a a n d t h e a n g l e , w h i c h w e c a n p u t i n h e r e . A n d w e a c t u a l l y h a v e a d i r e c t r e l a t i o n b e t w e e n b a n d t h e t a , w h i c h I w r o t e d o w n s o I w o u l d n ' t f o r g e t .
S o w e a c t u a l l y h a v e - - o u r i m p a c t p a r a m e t e r i s c l a s s i c a l r a d i u s o f t h e e l e c t r o n t i m e s c o s i n e o f a n g l e o v e r 2 . Y o u d o n ' t h a v e t o k n o w w h e r e t h e s e c a m e f r o m , b u t t h e p o i n t i s w e h a v e a r e l a t i o n b e t w e e n B a n d t h e a n g l e . W e h a v e a r e l a t i o n b e t w e e n a n g l e a n d e n e r g y . S o w e c a n j u s t d o a c h a n g e o f v a r i a b l e s t o g e t o u r f i n a l c r o s s - s e c t i o n . A n d i t e n d s u p b e i n g , I t h i n k , p i t i m e s r a d i u s o f t h e e l e c t r o n s q u a r e d o v e r g a m m a .
S o i n t h i s w a y , w e c a n g o f r o m k n o w n r e l a t i o n s b e t w e e n e a c h o f t h e v a r i a b l e s a n d a n a c t u a l p h y s i c a l c r o s s - s e c t i o n t h a t h a s u n i t s o f r e a l a r e a d o w n t o a n e n e r g y - d e p e n d e n t f o r m f o r t h i s c r o s s - s e c t i o n , w h i c h I t h i n k i s p r e t t y c o o l . A n d t h e n t h i s i s t h e o n e t h a t y o u w o u l d s e e t a b u l a t e d i n t h e J A N I S t a b l e s , l i k e t h e e n e r g y - d e p e n d e n t c r o s s - s e c t i o n f o r t h e S r e a c t i o n o r t h e s c a t t e r i n g . S o t h i s i s o n e o f m y f a v o r i t e p a r t s o f t h i s c o u r s e , b e c a u s e y o u c a n s e e h o w c r o s s - s e c t i o n s r e a l l y d o f o l l o w d i r e c t l y f r o m a r e a s .
S o n o w f o r t h e o t h e r p a r t , n o w t h a t w e ' v e g o t t h i s B r e m s s t r a h l u n g s t o p p i n g p o w e r a n d w e ' v e g o t o u r i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r , i t ' s u s e f u l t o f i n d o u t w h i c h o n e i s m o r e i m p o r t a n t w h e n . T o d o t h a t , w e j u s t l o o k a t t h e i r r a t i o s . S o i f w e l o o k a t t h e d t d x f r o m i o n i z a t i o n s o v e r t h e d x d x f r o m r a d i a t i v e e n e r g y t r a n s f e r o r B r e m s s t r a h l u n g - - l e t m e m a k e s u r e I g e t t h i s o n e r i g h t . I t ' s p r o p o r t i o n a l t o z t i m e s m a s s o f t h e e l e c t r o n o v e r m s q u a r e d t i m e s t o v e r 1 , 4 0 0 r e s t m a s s o f t h e e l e c t r o n .
S o w h a t t h i s t e l l s y o u h e r e i s t h a t - - I ' m s o r r y . I t h i n k I h a v e t h o s e b a c k w a r d s , b e c a u s e r a d i a t i v e s h o u l d g e t m o r e i m p o r t a n t a t h i g h e r e n e r g i e s . S o w h a t t h i s t e l l s y o u i s f o r h i g h e r z m a t e r i a l s , B r e m s s t r a h l u n g b e c o m e s m o r e d o m i n a n t , a n d f o r h i g h e r e n e r g i e s , B r e m s s t r a h l u n g b e c o m e s m o r e d o m i n a n t . S o i f w e w a n t t o g e n e r a l i z e o u r s t o p p i n g p o w e r c u r v e f r o m j u s t i o n i z a t i o n t o e v e r y t h i n g - - s o I k n o w I h a d a n o t h e r c o l o r . N o . I r a n o u t o f c o l o r s . I n e e d a f o u r t h o n e .
T h e r e ' s g o i n g t o b e s o m e B r e m s s t r a h l u n g c o m p o n e n t t h a t s t a r t s t o g e t m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t w i t h i n c r e a s i n g e n e r g y . A n d s o t h e n i f y o u e x t e n d t h i s c u r v e , y o u ' r e g o i n g t o r a d i a t e m o r e a n d m o r e a n d m o r e p o w e r t h e h i g h e r e n e r g y y o u g o - - n o t f r o m t h i s c o m p o n e n t o r t h a t c o m p o n e n t o f i o n i z a t i o n , b u t f r o m r a d i a t i o n o r B r e m s s t r a h l u n g . S o t h i s h a s s o m e p r e t t y s e r i o u s i m p l i c a t i o n s t o a n s w e r q u e s t i o n s l i k e , h o w d o y o u s h i e l d b e t a r a y s ?
D o e s a n y o n e h a v e a n y i d e a ? B a s e d o n t h i s f o r m u l a r i g h t h e r e , w h a t w o u l d y o u u s e t o s h i e l d b e t a p a r t i c l e s a n d n o t i r r a d i a t e t h e p e r s o n s t a n d i n g b e h i n d t h e s h i e l d ? L e t ' s a s k a q u e s t i o n e v e r y o n e k n o w s . W h a t d o y o u u s e t o s h i e l d p h o t o n s r e a l l y w e l l ? L e a d , t u n g s t e n , s o m e t h i n g w i t h h i g h z .
B e c a u s e a s w e s a w f r o m b e f o r e - - I ' m g o i n g t o s t e a l a l i t t l e b i t o f t h e R u t h e r f o r d s t u f f . I f y o u g r a p h t h e e n e r g y v e r s u s t h e m a s s a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n t , y o u g e t a c u r v e t h a t l o o k s l i k e t h i s , b u t e v e r y t h i n g i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g z . Y o u g e t m o r e m a s s a t t e n u a t i o n w i t h i n c r e a s i n g z . A n d a l s o , d e n s e r m a t e r i a l s t e n d t o b e h i g h e r z . I s t h a t w h a t y o u w a n t t o d o f o r b e t a p a r t i c l e s ?
Y o u s a y - - s o M o n i c a , y o u ' r e s a y i n g n o . H o w c o m e ?
A U D I E N C E : D o n ' t y o u j u s t w a n t s o m e t h i n g w i t h a l o w c r o s s - s e c t i o n ?
M I K E S H O R T : T h a t ' s r i g h t . W e l l , y o u d o n ' t n e c e s s a r i l y w a n t s o m e t h i n g w i t h a l o w c r o s s - s e c t i o n , o r e l s e i t m i g h t n o t s h i e l d a t a l l , b u t y o u a r e o n t h e r i g h t t r a c k . Y o u c a n a c t u a l l y l o o k a t t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s e s t o p p i n g p o w e r s , a n d c r o s s - s e c t i o n s a r e e m b e d d e d i n t h e r e . S o I t h i n k t h a t a n s w e r i s p r e t t y m u c h c o r r e c t .
B u t a l s o , y o u ' r e g o i n g t o g e t m o r e B r e m s s t r a h l u n g o r m o r e b r e a k i n g r a d i a t i o n i n h i g h e r z m a t e r i a l s . S o i f w e a c t u a l l y l o o k a t w h a t t h r e s h o l d s d o e s t h i s b e c o m e i m p o r t a n t i n l e a d , t h i s r a t i o i s a b o u t 1 a t a r o u n d 1 0 M e V , w h i c h m e a n s t h a t y o u l o s e a n e q u a l a m o u n t o f e n e r g y t o B r e m s s t r a h l u n g a s i o n i z a t i o n a t 1 0 M e V f o r e l e c t r o n s .
I n w a t e r , t h i s r a t i o i s a b o u t 1 a t 1 0 0 M e V . S o w h a t t h i s s a y s i s i f y o u w a n t t o s h i e l d e l e c t r o n s o r b e t a p a r t i c l e s s a f e l y , y o u a c t u a l l y h a v e t o u s e l o w e r Z m a t e r i a l s b e c a u s e t h e y w o n ' t m a k e m u c h B r e m s s t r a h l u n g . B u t b e c a u s e , l i k e M o n i c a s a i d , t h e n t h e c r o s s - s e c t i o n i s l o w e r , y o u a c t u a l l y h a v e t o u s e m o r e . S o y o u d o n ' t h a v e a c h o i c e . Y o u c a n ' t j u s t u s e l e s s h i g h z m a t e r i a l . B e c a u s e w h i l e y o u w i l l s t o p m o r e o f t h e e l e c t r o n s , t h e y w i l l c r e a t e m o r e x - r a y s i n t h e p r o c e s s . A n d t h o s e x - r a y s a r e h i g h l y p e n e t r a t i n g , a s w e k n o w f r o m t h e s e m a s s a t t e n u a t i o n c u r v e s .
O n c e y o u g e t t o h i g h e n e r g y , t h i s i s - - t h e s e a r e l o g a r i t h m i c s c a l e s , s o l e t m e c o r r e c t t h o s e a n d s a y t h e s e a r e l o g o f e a n d l o g o f m u o v e r p . I t g e t s m i l l i o n s o f t i m e s l e s s e f f e c t i v e a t s h i e l d i n g h i g h e n e r g y p h o t o n s . S o t h a t ' s o n e o f t h o s e r e a l l y i m p o r t a n t t h i n g s t o n o t e i s i f y o u ' r e d e s i g n i n g s h i e l d i n g f o r s o m e t h i n g , a n d t h e r e a r e e l e c t r o n s i n v o l v e d t h a t a r e e v e n a r o u n d 1 M e V o r s o , y o u c a n ' t j u s t u s e h i g h z m a t e r i a l s t o s h i e l d t h e m , o r y o u w i l l c r e a t e m o r e p r o b l e m s t h a n y o u s o l v e .
T h a t ' s a p r e t t y i m p o r t a n t i m p l i c a t i o n . I t ' s q u i t e i m p o r t a n t f o r w h a t ' s c a l l e d b e t a v o l t a i c d e v i c e s . I t ' s k i n d o f a s i d e t r a c k , s o I ' m g o i n g t o s t i c k i t o n a b o a r d t h a t ' l l b e h i d d e n s o o n . H a s a n y o n e h e a r d o f a b e t a v o l t a i c d e v i c e ? A n y o n e ? W h a t a r e t h e y ?
A U D I E N C E : I t ' s l i k e a b e t a s o u r c e t h a t e m i t s e l e c t r o n s o n t o a s e m i c o n d u c t o r [ I N A U D I B L E ] .
M I K E S H O R T : Y e a h , i t ' s a b e t a b a t t e r y . A l l i t i s i s , l e t ' s s a y , s o m e p i e c e s o f s i l i c o n , s o m e c i r c u i t t h a t g r a b s t h e p o w e r , a n d a b e t a e m i t t e r . A n d t h e s e b e t a p a r t i c l e s d i r e c t l y h i t t h e s i l i c o n , a n d t h e m o v e m e n t o f t h o s e b e t a s c o n s t i t u t e s a c h a r g e . A n d i t ' s d i r e c t - - i t ' s d i r e c t c o n v e r s i o n o f r a d i a t i o n t o e l e c t r i c a l e n e r g y . T h e y ' r e n o t v e r y h i g h p o w e r , b u t t h e y l a s t f o r a v e r y l o n g t i m e .
H o w l o n g ? A r o u n d a f e w h a l f l i v e s o f t h a t b e t a d e c a y . S o f o r m o s t o f t h e s e b e t a e m i t t e r s t h a t h a v e h a l f l i v e s i n t h e r e a l m o f , l i k e , 1 0 t o 1 , 0 0 0 y e a r s , y o u c a n m a k e a m i c r o w a t t b a t t e r y t h a t c o u l d l a s t f o r m i l l e n n i a . T h i s c o u l d b e p r e t t y u s e f u l . L e t ' s s a y i f y o u w a n t e d t o h a v e s o m e s e c r e t s e n s o r s i n a n a u g h t y c o u n t r y l i k e N o r t h K o r e a , y o u c o u l d d r o p t h e s e t i n y l i t t l e b e t a p a r t i c l e s t h a t w o u l d j u s t - - b e t a v o l t a i c s t h a t w o u l d j u s t t r i c k l e c h a r g e a b a t t e r y , m a k e a m e a s u r e m e n t o f - - I d o n ' t k n o w - - r a d i a t i o n l e v e l , o r w e i g h t o f t h e d i c t a t o r , o r w h a t e v e r y o u h a p p e n t o w a n t t o m e a s u r e , a n d s e n d t h a t o f f o n c e a m o n t h o r o n c e a y e a r w i t h n o n e e d f o r e x t e r n a l m o n i t o r i n g .
O r l e t ' s s a y y o u ' r e d e s i g n i n g a m i s s i o n t o l a n d o n a c o m e t , l i k e t h e R o s e t t a P h i l a e L a n d e r , a n d y o u r r a d i o t h e r m a l i s o t o p e g e n e r a t o r i s g o i n g t o b u r n o u t i n , l e t ' s s a y , 1 0 o r 2 0 y e a r s . Y o u m i g h t n o t n e e d t h a t m u c h p o w e r j u s t t o m e a s u r e t e m p e r a t u r e , o r l i g h t l e v e l s , o r s o m e t h i n g e l s e , o r a g a s t h a t y o u m i g h t w a n t t o k n o w w h a t ' s t h e r e . B u t y o u h a v e t o c h o o s e y o u r b e t a i s o t o p e w i s e l y .
I f y o u w a n t t o m a k e t h e s e t h i n g s i n a l i t t l e c h i p - - a n d t h e y a c t u a l l y h a v e b e e n c o m m e r c i a l i z e d i n a c h i p t h a t ' s a b o u t t h a t a c t u a l s i z e u s i n g a b o u t t w o c u r i e s o f t r i t i u m . A n y o n e h a v e a n y i d e a w h y o n e w o u l d c h o o s e t r i t i u m ?
A U D I E N C E : I t ' s g o t a s h o r t h a l f - l i f e .
M I K E S H O R T : Y e a h , i t ' s g o t a s h o r t h a l f - l i f e , s o y o u c a n g e t a l o t o f p o w e r o u t o f i t . T h a t ' s o n e o f t h e t w o c o r r e c t r e a s o n s . A n d w h a t i s t h e o t h e r o n e ? L e t s s e e w h o ' s m e m o r i z e d t h e r e K A E R I t a b l e o f n u c l i d e s . W h a t d o y o u t h i n k i t s b e t a d e c a y e n e r g y w o u l d h a v e t o b e f o r t h i s n o t t o b l a s t a n y o n e i n t h e v i c i n i t y ?
A U D I E N C E : L o w .
M I K E S H O R T : V e r y l o w . W h y d o y o u s a y t h a t ?
A U D I E N C E : [ I N A U D I B L E ] t h e y d o n ' t p e n e t r a t e a l l t h e w a y t h r o u g h t h e [ I N A U D I B L E ] .
M I K E S H O R T : T h a t ' s t r u e . T h e i r r a n g e i s m u c h s m a l l e r . B u t t h e r a n g e o f a l l b e t a s i s p r e t t y l o w i n m a t e r i a l s . B u t t h e a n s w e r l i e s r i g h t h e r e - - l e s s B r e m s s t r a h l u n g . L o w e r e n e r g y b e t a s g i v e m o s t o f t h e i r e n e r g y o f f i n i o n i z a t i o n r a t h e r t h a n b y r a d i a t i n g B r e m s s t r a h l u n g .
S o y o u c a n h a v e a d e v i c e w i t h t w o c u r i e s o f t r i t i u m , w h i c h i f t h a t ' s r e l e a s e d t o t h e o u t s i d e w o r l d , t h a t ' s b a d n e w s . T h a t ' s s o m e t h i n g t h a t y o u m i g h t h a v e t o r e p o r t . B u t a s l o n g a s i t s t a y s c o n t a i n e d i n t h i s d e v i c e , i t d o e s n o t h a v e e n o u g h e n e r g y t o p r o d u c e m a n y x - r a y s f r o m B r e m s s t r a h l u n g . A n d t h e r e f o r e , i t d o e s n o t r e q u i r e a n e n o r m o u s a m o u n t o f s h i e l d i n g .
S o y o u c a n ' t j u s t p i c k a 1 M e V b e t a e m i t t e r w h i c h y o u m i g h t g e t a l o t o f p o w e r o u t o f , b e c a u s e i t ' s a l s o g o i n g t o b e a b i g , c r a z y X - r a y s o u r c e t h a t y o u w o u l d n ' t w a n t i n a c e l l p h o n e o r a s e n s o r o r s o m e o t h e r d e v i c e y o u m i g h t p u t i n y o u r p o c k e t , o r e v e n 2 0 f e e t f r o m y o u . C o o l .
S o t h a t ' s t h e i d e a b e h i n d B r e m s s t r a h l u n g . T h e r e ' s a l i t t l e b i t m o r e I w a n t t o t e l l y o u a b o u t , a n d I ' l l s a v e t h a t f o r t h e s i d e t r a c k b o a r d . W e u s e B r e m s s t r a h l u n g i n a l o t o f r e a l l y i n t e r e s t i n g a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g c y c l o t r o n , o n e o f w h i c h w e j u s t t o o k d e l i v e r y o f h e r e a t M I T , o r a s y n c h r o t r o n . A n d I ' l l j u s t b r i e f l y e x p l a i n h o w t h e s e w o r k .
I n a c y c l o t r o n , y o u ' v e g o t t w o D - s h a p e d m a g n e t s . T h e y a c t u a l l y c a l l t h e m d e e s b e c a u s e w e ' r e s o c r e a t i v e i n n a m i n g t h e s e t h i n g s . Y o u i n j e c t s o m e s o u r c e o f c h a r g e d p a r t i c l e s , a n d t h e r e i s s o m e e l e c t r i c f i e l d l i n e s a c r o s s t h e s e t w o d e e m a g n e t s . A n d w h a t t h i s s a y s i s t h a t i n b e t w e e n t h e m a g n e t s , t h e p a r t i c l e a c c e l e r a t e s .
A n d i n s i d e e a c h m a g n e t , t h e p a t h c u r v e s . A n d i t a c c e l e r a t e s s o m e m o r e . A n d i t ' s m o v i n g e v e n f a s t e r , s o i t t a k e s l o n g e r t o c u r v e . T h a n i t m o v e s e v e n f a s t e r , a n d i t t a k e s l o n g e r t o c u r v e , a n d
s o o n a n d s o o n , u n t i l i t f i n a l l y s h o o t s o u t t h e s i d e .
A n d s o t h i s i s o n e w a y t h a t y o u c a n h a v e a n e x t r e m e l y c o m p a c t - - a n d I ' m t a l k i n g l i k e g a r b a g e - c a n - s i z e d - - a c c e l e r a t o r t h a t b r i n g s t h i n g s u p t o a b o u t 1 3 M e V . T h a t ' s t h e o n e t h a t w e ' v e g o t i n t h e b a s e m e n t o f N o r t h w e s t 1 3 . T h e p r o b l e m i s e v e r y t i m e t h e s e p a r t i c l e s b e n d , t h e y s e n d o f f p h o t o n s , w h a t ' s k n o w n a s c y c l o t r o n r a d i a t i o n . A n d t h e h i g h e r e n e r g y t h a t i s , t h e m o r e i n t e n s e t h a t c y c l o t r o n r a d i a t i o n g e t s .
S o y o u ' v e g o t t h i s g a r b a g e - c a n - s i z e d d e v i c e w i t h a l i t t l e h o l e r i g h t h e r e , a n d i t ' s j u s t b l a s t i n g o u t p h o t o n s i n a l l d i r e c t i o n s i n t h i s o n e p l a n e - - l e t ' s j u s t c a l l i t t h e p l a n e o f d e a t h - - w h i c h y o u d o n ' t w a n t t o b e i n , w h i c h i s w h y t h i s t h e t h i n g i s b e h i n d 4 f e e t o f c o n c r e t e s h i e l d i n g , a n d i n t h e m i d d l e o f a r o o m , t o h e l p - - t h a t 1 o v e r r s q u a r e d k e e p s y o u r d o s e d o w n . B u t w e a c t u a l l y u s e t h i s p l a n e o f d e a t h i n a s y n c h r o t r o n .
W h a t i t i s i s i t ' s a c i r c u l a r a c c e l e r a t o r . I t ' s n o t q u i t e c i r c u l a r , s o l e t m e c o r r e c t m y d r a w i n g a l i t t l e b i t . T h e r e a r e s t r a i g h t s e g m e n t s , a n d t h e r e a r e s l i g h t l y c u r v e d s e g m e n t s . B u t i t p r e t t y m u c h l o o k s l i k e a c i r c l e i f y o u l o o k a t i t f r o m h i g h u p e n o u g h . I n e a c h o f t h e s e c u r v e d s e g m e n t s , t h e r e i s a b e n d i n g m a g n e t . T h a t ' s m y b e s t d r a w i n g f o r a m a g n e t .
A n d w h a t t h i s d o e s i s i t c o n t i n u o u s l y c h a n g e s t h e p a t h o f t h e s e c h a r g e d p a r t i c l e s g o i n g t h r o u g h u s u a l l y e l e c t r o n s . A n d y o u e n d u p w i t h i n t e n s e b e a m s . L e t m e u s e a d i f f e r e n t c o l o r . Y o u e n d u p w i t h i n t e n s e b e a m s p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i g i n a l p a t h b e f o r e i t w e n t i n t h a t b e n d i n g m a g n e t o f s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n .
S o i t ' s k i n d o f l i k e a g i g a e l e c t r o n v o l t s p i n n i n g n i n j a s t a r o f d e a t h , e x c e p t a t t h e e n d o f e v e r y o n e o f t h e s e s t a t i o n s , y o u h a v e w h a t ' s c a l l e d a b e a m l i n e . B e c a u s e t h e r e ' s 6 0 o r 8 0 - o d d o f t h e s e b e a m l i n e s c o m i n g o f f w i t h , l e t ' s s a y , 8 0 k v a n d b e l o w B r e m s s t r a h l u n g x - r a y s , y o u c a n u s e t h o s e f o r a w h o l e l o t o f d i f f e r e n t a n a l y s i s t e c h n i q u e s . Y o u c a n s i m p l y i r r a d i a t e t h i n g s . Y o u c a n s e n d t h o s e x - r a y s t h r o u g h a m o n o c h r o m a t o r t o s e l e c t o n l y o n e w a v e l e n g t h , a n d t h e n u s e t h a t w a v e l e n g t h t o p r o b e t h e s t r u c t u r e o f m a t t e r d o w n t o t h e a t o m i c l e v e l .
T h e r e ' s a c t u a l l y o n e o f t h e s e j u s t d o w n i n L o n g I s l a n d . A b o u t a 2 - a n d - 1 / 2 - h o u r d r i v e f r o m h e r e , t h e r e ' s B r o o k h a v e n N a t i o n a l L a b . A n d t h e y j u s t o p e n e d u p t h e N a t i o n a l S y n c h r o t r o n L i g h t S o u r c e , o r N S L S v e r s i o n 2 , w h e r e t h e y c a n a c t u a l l y m e a s u r e d i s t a n c e s w i t h s i n g l e n a n o m e t e r p r e c i s i o n . S o i n s i d e t h i s b e a m l i n e i s a b i g g e r r o o m w h i c h i s e n c a s e d i n a n o t h e r r o o m w h i c h i s e n c a s e d i n a n o t h e r r o o m . A n d t h e w h o l e p o i n t o f t h a t i s f o r v i b r a t i o n a n d t e m p e r a t u r e i s o l a t i o n .
S o t h e y m a i n t a i n t h i s e n t i r e r o o m t o w i t h i n a s p e c k o f 0 . 1 C e l s i u s . A n d i t ' s t h e l e a s t v i b r a t i n g p l a c e , p r o b a b l y , i n t h e U S . I d o n ' t k n o w a b o u t o n t h e p l a n e t . B u t i t ' s g o t b a s i c a l l y n o v i b r a t i o n . S o t h e a t o m s a r e e f f e c t i v e l y s t a n d i n g s t i l l e x c e p t f o r t h e i r n o r m a l v i b r a t i o n s i n t h e m a t e r i a l . B u t t h e r e ' s n o s o u r c e o f e x t e r n a l v i b r a t i o n .
A n d t h e c o o l i n g h a s t o c o m e i n t h r o u g h t h e s e c o n v o l u t e d c h a n n e l s s o a s n o t t o b l o w o n t h e s a m p l e , s o a s n o t t o m a k e a n y c o n v e c t i o n c u r r e n t s o r t e m p e r a t u r e c h a n g e s . A n d t h e y c a n a c t u a l l y p r o b e t h e s t r u c t u r e o f m a t t e r w i t h s i n g l e - n a n o m e t e r p r e c i s i o n u s i n g t h e s e s y n c h r o t r o n x - r a y s a l l p r o d u c e d b y B r e m s s t r a h l u n g . S o i t ' s n o t a l l b a d . Y o u c a n u s e B r e m s s t r a h l u n g f o r g o o d .
T h e n t h e r e ' s a l i t t l e b i t - - I h a v e t o h i j a c k a l i t t l e m o r e a r e a f r o m R u t h e r f o r d s c a t t e r i n g . Y o u m i g h t t h i n k a b o u t , w e l l , w h a t i s t h e a c t u a l s p e c t r u m o f t h i s B r e m s s t r a h l u n g . W e l l , y o u c a n l o o k t o s e e w h a t ' s t h e p r o b a b i l i t y t h a t a n a t o m e n t e r s i n t o a n y o f t h e s e c o n c e n t r i c , h o l l o w c i r c l e s . I t l o o k s t o b e l e s s a n d l e s s l i k e l y t h a t y o u ' r e g o i n g t o e n t e r t h r o u g h o n e o f t h e c e n t e r r i n g s a n d m o r e a n d m o r e l i k e l y t h a t y o u ' r e g o i n g t o e n t e r t h r o u g h o n e o f t h e o u t e r r i n g s .
I f y o u s t a r t f a r t h e r a w a y , t h e r e ' s l e s s o f a p u l l t o c h a n g e t h e p a t h o f t h a t i o n o r e l e c t r o n , a n d t h e B r e m s s t r a h l u n g i s g o i n g t o b e l o w e r i n e n e r g y . T h i s i s a c t u a l l y d e s c r i b e d b y w h a t ' s c a l l e d C r a m e r ' s l a w , w h i c h s a y s t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e B r e m s s t r a h l u n g a s a f u n c t i o n o f w a v e l e n g t h s c a l e s w i t h s o m e c o n s t a n t k , a n d t h a t c o n s t a n t s c a l e s w i t h - - s u r p r i s e , s u r p r i s e - - t h e a t o m i c n u m b e r o f t h e m a t e r i a l t i m e s s o m e l a m b d a o v e r l a m b d a m i n i m u m m i n u s 1 t i m e s 1 o v e r l a m b d a s q u a r e d .
A n d w h a t t h i s s a y s i s t h a t t h e r e ' s s o m e m i n i m u m l a m b d a o r s o m e m a x i m u m e n e r g y t h a t y o u c a n i m p a r t t o t h i s B r e m s s t r a h l u n g , w h i c h a g a i n , y o u c a n o n l y t a k e s o m e e n e r g y b e f o r e y o u t a k e i t a l l . A n d t h e r e ' s g o i n g t o b e s o m e s o r t o f a f i x e d m i n i m u m l a m b d a i f w e d r a w t h i s i n t e n s i t y . A n d I g r a p h e d t h i s o n D e s m o s j u s t b e f o r e c o m i n g h e r e , s o I k n o w i t l o o k s s o m e t h i n g l i k e t h i s w h e r e t h a t r i g h t t h e r e i s l a m b d a m i n i m u m .
I t ' s t a k i n g m o r e a r e a . I f y o u t h e n c h a n g e v a r i a b l e s f r o m l a m b d a t o t h e a n g u l a r f r e q u e n c y w h e r e , i f y o u r e m e m b e r , t h e e n e r g y o f t h e p h o t o n i s j u s t h b a r t i m e s t h a t f r e q u e n c y - - s o i t ' s k i n d o f l i k e c o n v e r t i n g i n t o e n e r g y w i t h j u s t a t i n y , l i t t l e c o n s t a n t i n f r o n t . A n d I m e a n r e a l l y , r e a l l y t i n y l i t t l e c o n s t a n t .
Y o u e n d u p w i t h a n e n e r g y r e l a t i o n t h a t l o o k s l i k e s o m e m a x i m u m a n g u l a r f r e q u e n c y o r s o m e
m a x i m u m e n e r g y . A n d t h i s i s k i n d o f a s i m p l e , l i n e a r - l o o k i n g r e l a t i o n , t h i s 1 o v e r e n e r g y r e l a t i o n m i n u s 1 . S o i f w e g r a p h e n e r g y v e r s u s t h e i n t e n s i t y o f t h e B r e m s s t r a h l u n g , y o u e n d u p w i t h a c u r v e s o m e t h i n g l i k e t h i s w h e r e y o u r m a x e n e r g y i s t h e s a m e a s y o u r i n c o m i n g p a r t i c l e e n e r g y .
N o w , w h o h e r e h a s d o n e a n y s o r t o f X - r a y o r S C M a n a l y s i s b e f o r e ? Y o u h a v e . S o c a n y o u t e l l m e , i s t h i s t h e B r e m s s t r a h l u n g s p e c t r u m t h a t y o u t e n d t o s e e ?
A U D I E N C E : W e l l , I ' v e d o n e [ I N A U D I B L E ] a n a l y s i s w i t h i m a g i n g .
M I K E S H O R T : O K . H a v e y o u e v e r g o t t e n a r e g u l a r , o l d X - r a y s p e c t r u m t o s e e w h a t e l e m e n t s a r e t h e r e ? C a n y o u d r a w w h a t o n e l o o k s l i k e ?
A U D I E N C E : M a y b e .
M I K E S H O R T : Y o u w a n t t o t r y ? T h e y ' r e a l l t h e s a m e . S o i f y o u r e m e m b e r a n y p a r t i c u l a r o n e , y o u ' r e c o r r e c t . Y e p . T h e r e ' s s o m e p e a k s . A n d t h e n w h a t d o e s t h i s b a c k g r o u n d s t u f f l o o k l i k e ? Y e a h . T h e r e ' s s o m e n o i s e a n d j u n k o n t h e b a c k o f i t , r i g h t ? S o t h i s i s a c t u a l l y c o r r e c t . T h a n k y o u .
A n d w h a t y o u a c t u a l l y s e e h e r e i s a b u n c h o f c h a r a c t e r i s t i c p e a k s . T h e s e w i l l m a y b e b e l i k e t h e L l i n e s a n d t h e K l i n e s f o r o n e e l e m e n t o r a n o t h e r , t h e s e c h a r a c t e r i s t i c X - r a y p e a k s , o n t o p o f t h e B r e m s s t r a h l u n g , t h e b r e a k i n g r a d i a t i o n w h i c h c o n s t i t u t e s t h e b a c k g r o u n d h e r e . A n d w h a t y o u a c t u a l l y s e e - - I ' m j u s t g o i n g t o d r a w t h e b a c k g r o u n d c u r v e u n d e r J u l i a ' s c u r v e h e r e - - l o o k s s o m e t h i n g l i k e t h i s . W h a t h a p p e n e d t o t h e r e a l s p e c t r u m ? W h y d o n ' t w e o b s e r v e w h a t a c t u a l l y e x i s t s ? T h e r e a r e a c o u p l e o f r e a s o n s . D o e s a n y b o d y h a v e a n i d e a ?
S o l e t ' s t a k e t h i s t o t h e e x t r e m e . W h y d o n ' t y o u t h i n k y o u w o u l d o b s e r v e p h y s i c a l l y - - a n d t h i s i s w h e n w e a c t u a l l y g e t i n t o t h e r e a l w o r l d - - a n y x - r a y s w i t h e n e r g y i n , l e t ' s s a y , t h e e V r a n g e i f y o u w e r e t o t r y a n d o b s e r v e a n y x - r a y s a t a l l ? T h i s i s w h e r e w e a c t u a l l y g e t i n t o w h a t d o t h e s e d e t e c t o r s l o o k l i k e . S o t h e r e w i l l b e s o m e a c t i v e p i e c e o f y o u r m a t e r i a l i f t h i s i s y o u r d e t e c t o r .
T h i s i s m o s t d e f i n i t e l y n o t R u t h e r f o r d s c a t t e r i n g a n y m o r e .
A n d t h e r e ' s g o t t o b e s o m e w i n d o w . W e c a n m a k e i t a s t h i n a s w e p o s s i b l y c a n . A n d t h e y m a k e i t o u t o f t h e m o s t X - r a y - t r a n s p a r e n t s t r u c t u r a l m a t e r i a l t h a t t h e y c a n , w h i c h t e n d s t o b e b e r y l l i u m . S o b e r y l l i u m h a s g o t a n a t o m i c n u m b e r 4 . I t ' s t h e f i r s t a n d l i g h t e s t e l e m e n t t h a t y o u c a n m a k e s t r u c t u r a l a n y t h i n g s o u t o f .
S o i f y o u w a n t t o p r o t e c t y o u r d e t e c t o r f r o m , l e t ' s s a y , a i r o r s o m e t h i n g - - i f t h i s w e r e f u l l o f a i r ,
i t w o u l d a b s o r b t h e x - r a y s , s o y o u w a n t t h e r e t o b e p r e t t y m u c h n o t h i n g . Y o u c a n p u t a v e r y t h i n , s e v e n - m i c r o n b e r y l l i u m w i n d o w i n f r o n t . B u t t h e p r o b l e m i s w e ' v e a l r e a d y g o t o n e o f t h e s e m a s s a t t e n u a t i o n c u r v e s . A n d w h e n y o u g e t d o w n t o t h e s e e n e r g y l e v e l s , y o u a t t e n u a t e e v e r y t h i n g .
S o t h e l o w e r e n e r g y y o u r B r e m s s t r a h l u n g i s , t h e l e s s l i k e l y y o u ' r e g o i n g t o s e e i t . S o e v e n t h o u g h t h i s i s t h e a c t u a l B r e m s s t r a h l u n g s p e c t r u m , t h i s i s w h a t w e o b s e r v e . A n d I h a v e n ' t f i n i s h e d g r a d i n g t h e t e s t s y e t . B u t I l i k e I p r o m i s e d , f o r t h e t w o f o l k s w h o d o t h e b e s t , I ' m g o i n g t o a s k y o u t o b r i n g s o m e t h i n g i n f o r e l e m e n t a l a n a l y s i s . T h i s i s p r e c i s e l y w h a t w e ' r e g o i n g t o s e e .
Y o u ' r e g o i n g t o s e e t h i s B r e m s s t r a h l u n g w h i c h i s n o t t h e a c t u a l s p e c t r u m c o m i n g o u t , b u t t h i s h a s t o d o w i t h t h e a b s o r p t i o n o f x - r a y s i n t h e d e t e c t o r w i n d o w , a s w e l l a s s o m e s e l f - s h i e l d i n g . I f w e ' r e u s i n g a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e , w h i c h i s n o t h i n g m o r e t h a n a n e l e c t r o n g u n , a n d y o u ' r e f i r i n g e l e c t r o n s t o s o m e d i s t a n c e i n t h e m a t e r i a l w h e r e t h e y ' l l t h e n i n t e r a c t a n d s e n d o f f x - r a y s , y o u ' v e a l s o g o t t h i s p a r t o f t h e m a t e r i a l t o c o n t e n d w i t h , s o m e s e l f - s h i e l d i n g .
S o n o t o n l y d o t h e x - r a y s a l l h a v e t o g e t t h r o u g h t h e d e t e c t o r w i n d o w t o b e c o u n t e d - - s o t h e h i g h - e n e r g y o n e s , w h i c h w e ' l l h a v e w i t h s m a l l w a v e l e n g t h , g e t t h r o u g h , b u t t h e l o w - e n e r g y o r l o n g - w a v e l e n g t h o n e s m i g h t g e t s t o p p e d . Y o u a l s o h a v e t o g e t o u t o f t h e m a t e r i a l i t s e l f . T h e e l e c t r o n s d o n ' t j u s t p r o d u c e x - r a y s i n t h e o u t e r a t o m s o f t h e m a t e r i a l . T h e y g o d o w n a m i c r o n o r t w o . A n d t h e n t h e x - r a y s t h a t a r e p r o d u c e d i n t h o s e i n t e r a c t i o n s h a v e t o g e t b a c k o u t a g a i n .
S o i t ' s i n t e r e s t i n g . I t ' s k i n d o f l i k e t h e i n v e r s e p h o t o e l e c t r i c e f f e c t , r i g h t ? I n t h e p h o t o e l e c t r i c e f f e c t , p h o t o n c o m e s i n , e l e c t r o n s c o m e o u t . I n a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e , e l e c t r o n s c o m e i n . P h o t o n s c o m e o u t . M a n y o f t h e m a r e t h e s e c h a r a c t e r i s t i c x - r a y s . B e c a u s e n o w i f w e s t a r t t o r e v i e w w h a t s o r t o f i n t e r a c t i o n s a r e p o s s i b l e w h e n w e f i r e e l e c t r o n s i n t o m a t e r i a l , w e ' v e j u s t g o n e o v e r B r e m s s t r a h l u n g .
A n d w e k n o w t h a t w i t h h i g h e r a n d h i g h e r e n e r g y e l e c t r o n s , y o u ' r e g o i n g t o g e t m o r e a n d m o r e B r e m s s t r a h l u n g . B u t y o u ' r e n o t g o i n g t o s e e t h e a c t u a l x - r a y s p r o d u c e d a t l o w e n e r g i e s n o m a t t e r w h a t , b e c a u s e t h i s i s n ' t j u s t a s y s t e m o n p a p e r . I t ' s r e a l l i f e . A n d y o u ' r e g o i n g t o g e t c h a r a c t e r i s t i c x - r a y s t h a t c o m e f r o m e n e r g y t r a n s i t i o n s .
S o i f y o u f i r e i n a n e l e c t r o n , a n d y o u h a p p e n t o u n d e r g o o n e o f t h e s e i o n i z a t i o n c o l l i s i o n s , y o u m i g h t j u s t k n o c k a n e l e c t r o n o u t . S o l e t ' s s a y a n e l e c t r o n c o m e s i n , k n o c k s a n e l e c t r o n o u t .
T h e n a n o t h e r e l e c t r o n f i l l s t h a t s h e l l , g i v i n g o f f - - i n t h i s c a s e , i t w o u l d b e a k a l p h a o r a s h e l l 2
t o a s h e l l 1 X - r a y t h e w a y I ' v e d r a w n i t , w h i c h i s w h y J u l i a h a s g o t e v e r y t h i n g r i g h t o n t h e s p e c t r u m h e r e .
T h e r e ' s t h e B r e m s s t r a h l u n g , a n d t h e n t h e r e ' s t h e s e c h a r a c t e r i s t i c p e a k s . T h e b a c k g r o u n d i s d u e t o r a d i a t i v e s t o p p i n g p o w e r , a n d t h e s e c h a r a c t e r i s t i c p e a k s g i v e a w a y s o m e o f t h e i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r . A n d s o a l l i n o n e s p e c t r u m , y o u c a n s e e j u s t a b o u t e v e r y t h i n g g o i n g o n i n t h i s m a t e r i a l .
T h e l a s t t h i n g t h a t y o u c a n ' t s e e t h a t I w o u l d b e r e m i s s i f I d i d n ' t t a l k a b o u t i t a s a r a d i a t i o n m a t e r i a l s c i e n t i s t i s r a d i a t i o n m a t e r i a l s c i e n c e , w h i c h r e a l l y i s c o n c e r n e d w i t h m o s t l y R u t h e r f o r d s c a t t e r i n g , R u t h e r f o r d o r h a r d s p h e r e s c a t t e r i n g .
T h i s i s t h e l a s t o f t h e m a j o r i n t e r a c t i o n s b e t w e e n c h a r g e d p a r t i c l e s a n d m a t t e r t h a t c o n c e r n u s . I t ' s n o t r e a l l y i n y o u r r e a d i n g e x c e p t f o r , I t h i n k , b e i n g m e n t i o n e d o n c e , b e c a u s e t h e y d i d n ' t s e e m t o t h i n k i t ' s i m p o r t a n t . B u t I h a p p e n t o t h i n k i t ' s e x t r e m e l y i m p o r t a n t , b e c a u s e t h i s i s t h e b a s i s b e h i n d r a d i a t i o n d a m a g e .
I n a l l o f t h e s e c o l l i s i o n s r i g h t h e r e , y o u h a v e s o m e s o r t o f d i s p l a c e m e n t o f e l e c t r o n s . A n d t h o s e e l e c t r o n s c a n g e t i o n i z e d , a n d o t h e r o n e s w i l l f i l l t h e m b a c k i n t h e h o l e s a n d w h a t e v e r t h e y ' l l d o . B u t a t n o p o i n t w e r e n u c l e i d i s p l a c e d .
Y o u c a n t r a n s f e r a l o t o f e n e r g y w i t h o u t m o v i n g a n y a t o m s a r o u n d . B u t w h e n y o u r e n e r g y s t a r t s t o g e t l o w e r , y o u e n d u p w i t h a n e w k i n d o f s t o p p i n g p o w e r - - l e t ' s c a l l i t n u c l e a r - - w h i c h s c a l e s w i t h , a s a l w a y s , a n u m b e r d e n s i t y t i m e s p i . L e t ' s s e e .
L i t t l e z , b i g z , e t h e 4 t h - - e v e r y t h i n g l o o k s p r e t t y s i m i l a r s o f a r , e x c e p t f o r n o w w e ' v e g o t t h e e n e r g y o f t h e i n c o m i n g m a t e r i a l , a n d n o w w e h a v e a m a s s r a t i o . B e c a u s e i n t h i s c a s e , y o u ' r e a c t u a l l y u n d e r g o i n g s o m e s o r t o f a h a r d s p h e r e c o l l i s i o n b e t w e e n o n e a t o m a n d t h e o t h e r t i m e s t h e n a t u r a l l o g . T h i s i s g o i n g t o l o o k a w f u l l y f a m i l i a r .
I t e n d s u p b e i n g s o m e e n e r g y t e r m o v e r - - a c t u a l l y , l e t ' s j u s t g o w i t h - - y e a h , g a m m a e i o v e r s o m e n e w e n e r g y . T h i s t h i n g r i g h t h e r e i s c a l l e d t h e d i s p l a c e m e n t t h r e s h o l d e n e r g y . A n d i t r a n g e s f r o m a b o u t 2 5 t o 9 0 e V , b u t i t ' s u s u a l l y 4 0 e V .
A n d w h a t t h a t i s - - i t ' s t h e m a x - - t h e m i n i m u m a m o u n t o f e n e r g y t h a t h a s t o b e i m p a r t e d t o a n u c l e u s s m a c k h e a d o n i n o r d e r f o r i t t o m o v e f r o m i t s o r i g i n a l a t o m i c p o s i t i o n . A n d t h a t ' s w h a t ' s k n o w n a s a h a r d s p h e r e t y p e c o l l i s i o n . O r i n t h i s c a s e , i t ' s j u s t l i k e a l l t h e o t h e r q -
e q u a t i o n - l o o k i n g s c e n a r i o s t h a t w e l o o k e d a t b e f o r e . S o l e t ' s s a y t h e l i t t l e n u c l e u s g o e s o f f , a n d t h e b i g n u c l e u s g o e s o f f . T h i s s h o u l d l o o k f a m i l i a r b y n o w b e c a u s e I ' v e h a r p e d o n i t p r o b a b l y t o o m u c h .
N o w w h a t I w a n t y o u t o c o n s i d e r i s t h i s b i g n u c l e u s h a d a p o s i t i o n . I t l i k e d w h e r e i t w a s , a n d n o w i t ' s b e e n k n o c k e d a w a y . W h a t ' s l e f t o v e r i s a n a t o m i c v a c a n c y , w h i c h i s t h e m o s t b a s i c b u i l d i n g b l o c k o f r a d i a t i o n d a m a g e . S o s o m e t i m e s i t ' s n e a t t o l o o k a t t h e r a t i o o f - - l e t ' s s e e . M a k e s u r e I g e t t h i s r a t i o r i g h t . I o n i z a t i o n o n t o p . T o l o o k a n d s e e w h e n i s i o n i z a t i o n v e r s u s r a d i a t i o n d a m a g e a c t u a l l y i m p o r t a n t .
A n d t h e r a t i o s c a l e s w i t h 2 t i m e s t h e m a s s o f t h e n u c l e u s o v e r M e Z t i m e s t h e i r r e s p e c t i v e n a t u r a l l o g t h r e s h o l d t h i n g s . A n d t h a t ' s t h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l a n d l o g g a m m a e i o v e r e d . S o w h a t t h i s s a y s i s t h a t f o r h i g h e r e n e r g i e s , i o n i z a t i o n i s m o r e i m p o r t a n t , a n d f o r l o w e r e n e r g i e s , n u c l e a r s t o p p i n g p o w e r o r r a d i a t i o n d a m a g e i s m o r e i m p o r t a n t .
I f w e g r a p h t h e s e t w o , l e t ' s s a y , o n a l o g e g r a p h - - a n d l e t ' s s a y w e h a v e o u r n u c l e a r s t o p p i n g p o w e r i n b l u e a n d o u r i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r i n g r e e n - - w e e n d u p w i t h c u r v e s t h a t l o o k s o m e t h i n g l i k e t h i s . T h a t ' s o u r n u c l e a r . T h a t ' s o u r e l e c t r o n i c o r i o n i c .
S o w h a t t h i s a c t u a l l y s a y s i s i f y o u f i r e h i g h - e n e r g y n e u t r o n s o r h i g h - e n e r g y p r o t o n s i n t o a m a t e r i a l , i t ' s i o n i z a t i o n t h a t d o e s m o s t o f t h e d a m a g e a t h i g h e n e r g i e s u n t i l y o u s l o w d o w n t o a r o u n d l i k e 1 0 t o 1 0 0 k e V l e v e l , c u r i o u s l y v e r y s i m i l a r t o t h i s 5 0 0 t i m e s i b a r , t h e m e a n i o n i z a t i o n p o t e n t i a l , a t w h i c h p o i n t R u t h e r f o r d s c a t t e r i n g o r h a r d s p h e r e s c a t t e r i n g b e c o m e s t h e d o m i n a n t m e c h a n i s m .
A n d s o w h a t t h i s s a y s i s i f w e w a n t t o d r a w a p i c t u r e o f w h a t r a d i a t i o n d a m a g e l o o k s l i k e - - l e t ' s s a y w e h a d a p r o t o n t h a t w e ' r e f i r i n g i n t o a m a t e r i a l , a n d i t h i t s s o m e a t o m t h a t w e ' r e g o i n g t o c a l l t h e P K A o r P r i m a r y K n o c k - o n A t o m . T h a t P K A t h e n b e c o m e s - - l e t ' s s a y i t w a s n i c k e l . I t ' s l i k e a n i c k e l p l u s 2 6 i o n b e c a u s e y o u ' v e k n o c k e d t h e n u c l e u s o u t o f i t s e l e c t r o n c l o u d , e f f e c t i v e l y , a n d i t ' s n o w f l y i n g o u t t h r o u g h t h e m a t e r i a l .
T h a t p r o t o n m i g h t g o o f f t o d o m o r e d a m a g e s o m e w h e r e e l s e , b u t i t ' s n o t a c t u a l l y t h e p r o t o n s o r t h e i n c o m i n g p a r t i c l e s t h a t d o t h e b u l k o f t h e f i n a l r a d i a t i o n d a m a g e . T h e r a d i a t i o n d a m a g e i s m o s t l y s e l f - i o n r a d i a t i o n . E v e n t h o u g h i t a l l s t a r t s w i t h t h e i n c o m i n g p a r t i c l e , n o t h i n g w o u l d h a p p e n i f t h e i n c o m i n g p a r t i c l e d i d n ' t s h o w u p . M o s t o f t h e f i n a l r e s u l t s o f t h e d a m a g e a r e f r o m t h e s e h e a v y i o n c o l l i s i o n s . A n d s o w e a c t u a l l y t a l k e d a l i t t l e b i t a b o u t - - I t h i n k w e t a l k e d a b o u t w h e n t h i s i o n i z a t i o n s t a r t s t o p i c k u p f o r e l e c t r o n s v e r s u s h e a v y i o n s .
I f y o u t h i n k a b o u t w h e n e l e c t r o n s s t a r t t o r a d i a t e a w a y m o s t o f t h e i r e n e r g y , t a k i n g i t a w a y f r o m r a d i a t i o n , i t ' s l i k e 1 0 t o 1 0 0 M e V . W h a t w o u l d b e t h e c a s e f o r a h e a v y i o n , l i k e e v e n a p r o t o n ? W e l l , w h a t ' s t h e o n l y t h i n g t h a t c h a n g e s w h e n y o u c h a n g e f r o m a n e l e c t r o n t o a p r o t o n h e r e ?
A U D I E N C E : T h e c h a r g e .
M I K E S H O R T : W e l l , y e a h , t h e c h a r g e i s t h e o p p o s i t e s i g n , b u t o f e q u a l s t r e n g t h . B u t w h a t e l s e i n t h i s f o r m u l a ?
A U D I E N C E : [ I N A U D I B L E ]
M I K E S H O R T : T h a t ' s r i g h t . S o f o r h e a v y i o n s , f o r e v e n t h i n g s l i k e p r o t o n s , y o u n e e d t o g o a t a p p r o x i m a t e l y 1 , 8 3 7 s q u a r e d m o r e e n e r g y t h a n t h e e l e c t r o n . S o w e ' r e t a l k i n g i n t h e g i g a e l e c t r o n v o l t t o t e r a e l e c t r o n v o l t r a n g e f o r i o n s . S o t h i s i s w h y B r e m s s t r a h l u n g i s n o t i m p o r t a n t f o r a n y s o r t o f i o n i n t e r a c t i o n s u n l e s s y o u a r e a h i g h - e n e r g y p h y s i c i s t a n d y o u ' r e w o r k i n g i n t h e G e V o r g i g a e l e c t r o n v o l t i n t h e u p p e r r a n g e .
S o w e l i k e t o s a y i n t h e r a d i a t i o n d a m a g e f i e l d i f y o u w a n t t o k n o w t h e t o t a l s t o p p i n g p o w e r f r o m a l l i n t e r a c t i o n s , y o u h a v e t o t a k e i n t o a c c o u n t t h e i o n i z a t i o n s . I ' l l j u s t m a k e t h a t a m i n u s s i g n f o r t h e s y m b o l s . T h e n u c l e a r a n d t h e r a d i a t i v e .
F o r m o s t r a d i a t i o n d a m a g e p r o c e s s e s e x c e p t f o r h i g h - e n e r g y e l e c t r o n r a d i a t i o n , w e n e g l e c t t h a t . T h e r e a s o n i s t h a t t h e r a d i a t i v e t o i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r i s p r e t t y c l o s e t o z e r o . I t ' s l i k e - - e v e n a t 1 0 N e V , i t ' s l i k e 1 o v e r 2 , 0 0 0 s q u a r e d - - o r 1 o v e r , I g u e s s , 4 , 0 0 0 , 0 0 0 . I t d o e s n ' t m a t t e r a t a l l .
W i t h h e a v i e r i o n s , i t b e c o m e s e v e n l e s s o f a n i s s u e b e c a u s e y o u c a n d e f l e c t a h e a v i e r i o n l e s s w i t h t h e s a m e C o u l o m b . A n d s o w h a t e n d s u p o n l y m a t t e r i n g i s t h e i o n i z a t i o n s t o p p i n g p o w e r a n d t h e n u c l e a r s t o p p i n g p o w e r . I t ' s t h i s n u c l e a r s t o p p i n g p o w e r t h a t l e a d s t o c o l l i s i o n s . A n d i t ' s l i k e t w o o f f i v e o f .
S o I w a n t t o s t o p h e r e a n d a n s w e r a n y q u e s t i o n s . A n d I ' l l h i j a c k a b i t o f t h e n e u t r o n d i s c u s s i o n o n T h u r s d a y w i t h s o m e r e v i e w o f t h i s a n d f i l l i n g i n t h e l a s t g a p s o f r a d i a t i o n d a m a g e . S o a n y o n e h a v e a n y q u e s t i o n s f r o m t o d a y ? Y e a h ?
A U D I E N C E : C a n y o u r e p e a t w h a t y o u j u s t s a i d a b o u t w h y t h e r a d i a t i o n t e r m g o e s a w a y ?
M I K E S H O R T : Y e a h . T h e r a d i a t i o n t e r m g o e s a w a y b e c a u s e o f t h a t .
A U D I E N C E : A n d t h a t ' s u n d e r t h e a s s u m p t i o n y o u ' r e w o r k i n g w i t h a p r o t o n o r a h e a v i e r - -
M I K E S H O R T : Y e a h . I f y o u ' r e w o r k i n g w i t h a n e l e c t r o n , t h e n i t a c t u a l l y d o e s m a t t e r . I f y o u ' r e f i r i n g 1 0 M e V e l e c t r o n s i n t o s o m e t h i n g , y o u m u s t a c c o u n t f o r t h e r a d i a t i v e s t o p p i n g p o w e r , b e c a u s e t h e r e ' s a l o t o f i t . A t 1 0 M e V , t h e r e ' s a s m u c h r a d i a t i v e a s i o n i z i n g , a n d t h e r e ' s b a s i c a l l y n o n u c l e a r y e t .
B u t f o r a n y t h i n g h e a v i e r - - e v e n m u o n s , w h i c h a r e a p p r o x i m a t e l y 2 3 7 t i m e s h e a v i e r , o r p r o t o n s , w h i c h a r e a p p r o x i m a t e l y 1 , 8 3 7 t i m e s h e a v i e r , i t t o t a l l y d o e s n ' t m a t t e r b e c a u s e i t s c a l e s w i t h t h e m a s s r a t i o s q u a r e d . I t m i g h t b e 2 6 7 f o r m u o n s . I f o r g e t t h a t m i d d l e n u m b e r . B u t s t i l l , 2 6 7 s q u a r e d i s a p r e t t y b i g n u m b e r .
W a s t h e r e a n o t h e r q u e s t i o n h e r e ? I t h o u g h t I h a d s e e n a h a n d .
S o r e m e m b e r , y o u g u y s h a d s a i d y o u w a n t t o s e e s o m e r a d i a t i o n m a t e r i a l s c i e n c e o r r a d i a t i o n d a m a g e . T h i s i s w h e r e i t c o m e s f r o m . T h i s i s w h y I l o v e t e a c h i n g g r a d u a t e r a d i a t i o n d a m a g e a n d 2 2 . 0 1 a t t h e s a m e t i m e - - b e c a u s e t h e y ' r e t h e s a m e t h i n g . E x c e p t y o u g u y s g e t t h e d e r i v a t i o n s , a n d i n t h e g r a d c l a s s , I s a y I a s s u m e t h e y k n o w i t . A n d t h e n i n t h e h o m e w o r k , I f i n d o u t t h e y d o n ' t . B u t i t d o e s n ' t m a t t e r b e c a u s e t h e y ' r e s u p p o s e d t o . A t l e a s t y o u g u y s w i l l , s o y o u ' v e g o t t h e p o w e r . A n d k n o w l e d g e b r i n g s f e a r , a s I l i k e t o s a y .
O K . I ' l l s e e y o u g u y s o n T h u r s d a y w h e n w e ' l l w r a p u p a l i t t l e b i t m o r e r a d i a t i o n d a m a g e , b e c a u s e I c a n ' t r e s i s t . A n d t h e n w e ' l l s t a r t m o v i n g i n t o n e u t r o n i n t e r a c t i o n s , w h i c h i s k i n d o f t a k i n g a s t e p d o w n f r o m h e r e , b e c a u s e t h e r e a r e n ' t r e a l l y a n y e l e c t r o n i c i n t e r a c t i o n s . B u t b e c a u s e w e c a n d e a l w i t h e n o r m o u s p o p u l a t i o n s o f n e u t r o n s , t h i n g s a r e g o i n g t o g e t m e s s y . H a v e y o u s e e n t h e e q u a t i o n s h i r t s t h a t w e h a v e h e r e , t h e n e u t r o n t r a n s p o r t e q u a t i o n s h i r t s ? Y e a h . W e ' r e g o i n g t o d e r i v e t h a t o n T h u r s d a y .