Куда же расходуется энергия заряженных частиц и почему не все заряженные частицы производят ядерные реакции?

Чтобы ответить на эти вопросы, вспомним, что ядра занимают всего лишь одну тысячемиллиардную часть объема вещества. Конечно, заряженная частица, прежде чем достигнуть ядра, много раз столкнется с атомом и это может привести к различным последствиям. Атом может получить часть энергии от заряженной частицы, и скорость его увеличится. Сталкиваясь с соседними атомами, этот атом быстро передаст им полученную от заряженной частицы энергию, которая непосредственно переходит в тепло, и вещество мишени нагревается.

Но так как заряженная частица обладает большой энергией, то чаще могут произойти столкновения другого рода. Например, заряженная частица передает часть своей энергии электронам атома. Если этой энергии будет достаточно, чтобы электрон вылетел за пределы атома, то произойдет ионизация атома. Оказывается, что в среднем на каждую ионизацию атома расходуется около 35 эв энергии заряженной частицы. Так, например, альфа-частица с энергией около 7 Мэв на своем коротком пути в воздухе (7 см) образует 200 тыс. ионов.

В другом случае электрон, получивший энергию от частицы, просто перейдет с нижней орбиты атома на верхнюю— произойдет возбуждение атома. Через короткий промежуток времени электрон вернется на основную орбиту, атом излучит квант света. Поскольку эффективное сечение ионизации и возбуждения атома в миллионы раз больше, чем любое ядерное взаимодействие, естественно, что в подавляющем числе случаев заряженная частица потеряет свою энергию в электронных оболочках атомов, не будучи в состоянии дойти до ядра. Таким образом, в обычных условиях заряженные ядерные частицы, обладающие энергией, достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера и осуществления ядерной реакции, очень быстро теряют свою энергию на ионизацию и электронное возбуждение атомов среды и, наконец, останавливаются, захватывая электроны и превращаясь в нейтральные атомы.

Ионизационные потери энергии делают заряженные частицы видимыми в камере Вильсона или в толстослойных фотоэмульсиях; именно ионизация и электронное возбуждение приводят к газовому разряду в счетчиках Гейгера-Мюллера и к появлению вспышки света в сцинтилляционных счетчиках. Но все эти процессы, необходимые для регистрации заряженных частиц, являются совершенно пустой тратой энергии, приводящей к резкому уменьшению вероятности их ядерного взаимодействия.