電離輻射與物質(zhì)相互作用.ppt

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1、第一章、電離輻射與物質(zhì)相互作用,哈爾濱工程大學核學院,第一節(jié) 帶電粒子與物質(zhì)相互作用,,一、射線與物質(zhì)的相互作用,射線的種類很多，能量范圍也很寬，但一般只關(guān)注能量在10ev量級以上的輻射，能量大于這個最低能值的輻射稱作電離輻射。 1.輻射的分類 （1）帶電粒子的輻射：電子、正電子、質(zhì)子、粒子等。亦可稱為直接致電離輻射，帶電粒子通過物質(zhì)時，沿著粒子徑跡通過許多次的庫倫力的相互作用，將其能量傳遞給物質(zhì)。 （2）非帶電粒子的輻射：電磁輻射（射線和X射線）和中子等。亦可稱為間接致電離輻射，X/射線或中子通過物質(zhì)時，可能會發(fā)生少數(shù)幾次相對而言較強的相互作用，把其部分或全部能量轉(zhuǎn)移給它們所通過物質(zhì)中的某帶

2、電粒子，然后，所產(chǎn)生的快速帶電粒子再按直接致電離輻射的方式將能量傳遞給物質(zhì)。 X/射線將其全部或部分能量傳遞給物質(zhì)中原子核外的電子，產(chǎn)生次級電子；中子幾乎總是以核反應或核裂變過程產(chǎn)生次級重帶電粒子。,中子的世界,在中子看來，世界絕大部分都是空空蕩蕩的。 中子有多大的可能性和原子核發(fā)生反應？,,,微觀截面 Microscopic Cross section,設(shè)有強度為I （# / cm2 s ）的單能中子束平行入射到一薄靶上， 該薄靶厚度為 x，靶的核密度為N。,平行中子束經(jīng)過薄靶后強度的變化量I正比于入射中子束的強度I、靶的厚度x及靶的核密度N.,,,微觀截面Microscopic cros

3、s section,微觀截面表征了一個中子 和一個原子核相互作用 （發(fā)生核反應）的概率 大小。,,,微觀截面Microscopic cross section,每種類型的核反應都有相應的截面，用不同的下標表示。,微觀截面工程中常用的單位：靶恩 (barn) ，1靶=10-24cm2,中子束入射到厚靶上Neutron beam incident on a thick target,未經(jīng)碰撞的中子束強度的衰減規(guī)律,在x處dx間隔內(nèi)單位面積上發(fā)生反應的中子數(shù)為,,,宏觀截面Macroscopic cross section,N為單位體積內(nèi)原子核的數(shù)目。where N is the number de

4、nsity of the target nuclei in units cm-3,,,,未經(jīng)碰撞的中子束強度的衰減規(guī)律,,,,方程：,給定邊界條件下的解：,宏觀截面的物理解釋,表征了一個中子和單位體積內(nèi)所有的原子核發(fā)生反應的概率大小。 為一個中子在介質(zhì)內(nèi)穿行單位距離與原子核發(fā)生反應的概率大小。,,2.帶電粒子與靶物質(zhì)原子的碰撞過程 在核工程和核技術(shù)應用領(lǐng)域內(nèi)，主要涉及輻射能量為幾kev到20Mev的范圍內(nèi)。在這個能量范圍內(nèi)，帶電粒子穿過靶物質(zhì)時主要通過庫倫力與靶物質(zhì)原子發(fā)生相互作用，主要有四種作用方式。 （1）帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞 入射帶電粒子與物質(zhì)原子的核外電子通過

5、庫倫力作用發(fā)生非彈性碰撞，引起原子電離和激發(fā)。此過程中，核外電子獲得能量，帶電粒子的能量減少，速度降低，通過這種方式損失能量稱為電離能量損失。一般是帶電粒子穿過物質(zhì)時損失能量的主要方式。 （2）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核的非彈性碰撞 入射帶電粒子與物質(zhì)原子核通過庫倫力的相互作用，使入射帶電粒子受到排斥或吸引，導致粒子的速度和方向發(fā)生變化。當帶電粒子加速或減速時必然會產(chǎn)生輻射，因此，這種導致帶電粒子驟然變速時伴隨產(chǎn)生的電磁輻射稱為軔致輻射，通過這種方式損失能量稱為輻射能量損失。,（3）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核的彈性碰撞 帶電粒子與靶物質(zhì)原子核在庫倫力作用下發(fā)生彈性散射，即盧瑟福散射。這種過程不會使

6、原子核激發(fā)也不會產(chǎn)生軔致輻射，只是原子核反沖而帶走入射粒子的一部分能量，這種能量損失稱為核碰撞能量損失，這種阻止作用稱為核阻止。此過程是引起電子散射嚴重的主要因素。 （4）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核外電子的彈性碰撞 帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞過程只有很小的能量轉(zhuǎn)移。這種相互作用方式只是在能量極低（100ev）的電子才會考慮。因此，對粒子的能量損失貢獻很小，一般忽略。,3.帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失 帶電粒子進入物質(zhì)后，受庫倫力相互作用損失能量的過程可以看成是被物質(zhì)阻止的過程，把某種吸收物質(zhì)對帶電粒子的線性阻止本領(lǐng)S定義為該粒子在材料中的微分能量損失dE除以相應的微分路徑dx，即： 也可

7、以稱為粒子的能量損失率，或比能損失。 根據(jù)帶電粒子與靶物質(zhì)原子碰撞過程的分析，能量損失率由電離能量損失率Sion、輻射能量損失率Srad及核碰撞能量損失率Sn組成，故有： 對不同的帶電粒子三種能量的損失方式所占的比重不一樣。,,,,3.帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失 將具有一定能量的質(zhì)子、氘核、粒子和介子等重帶電粒子稱為快重帶電粒子，將所有z2并失去了部分電子的原子和裂變碎片等粒子稱為重離子。 在我們所關(guān)注的能量范圍里，快重帶電粒子和重離子的電離能量損失Sion都是最主要的能量損失方式，而輻射能量損失Srad都可以忽略，快重帶電粒子的核碰撞能量損失Sn一般很小，但重離子（特別速度很低時）的核碰撞能

8、量損失Sn可與電離能量損失Sion相當。 對快電子來說，電離能量損失Sion仍是能量損失的重要方式，但輻射能量損失Srad也占重要的地位，當電子能量達到幾Mev時，二者幾乎相當。由于電子的質(zhì)量小，核碰撞能量損失Sn所占份額很小，但這會引起嚴重的散射。,二、重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,在我們感興趣的能量范圍內(nèi)（大約0.1Mev到20Mev）的重帶電粒子與物質(zhì)的主要相互作用有：（1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，導致原子電離和激發(fā)，但粒子的運動方向幾乎沒有什么變化；（2）電荷交換，即俘獲和損失電子；（3）與核的彈性碰撞（盧瑟福散射）；（4）核反應。 造成能量損失的主要機制是電離和激發(fā)，即電離能量損失

9、。但是離子的種類不同，相互作用的方式有所差別。,1. 能量損失率 在考慮相對論的情況下，從理論上推出：,1. 能量損失率 關(guān)于上式的幾個結(jié)論： （1）電離能量損失率與重帶電粒子電荷數(shù)z2成正比。如和質(zhì)子的速度相等，物質(zhì)對粒子的阻止本領(lǐng)是對質(zhì)子的4倍。因此，帶電粒子的電荷越多，能量損失就越大，穿透力越差。 （2）電離能量損失率與入射粒子速度v有關(guān)，而與質(zhì)量無關(guān)。這是由于重帶電粒子的質(zhì)量遠大于電子的靜止質(zhì)量。因此，只要兩種入射粒子的速度相等，并具有相等的電荷數(shù)，那么他們的能量損失率就相等。 （3）電離能量損失率與物質(zhì)的電子密度NZ成正比。N表示單位體積內(nèi)靶物質(zhì)的原子數(shù)，Z是其原子序數(shù)，則單位體積內(nèi)

10、的電子數(shù)是NZ。物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對粒子的阻止本領(lǐng)越強。,（4）電離能量損失率與入射粒子的能量有關(guān)。 4Em0/M2m0v2,1. 能量損失率,2. 比電離 帶電粒子穿過物質(zhì)時，通過電離和激發(fā)產(chǎn)生許多電子離子對，把單位距離上產(chǎn)生的平均離子對數(shù)稱作比電離。 3. 射程 帶電粒子在物質(zhì)中運動時不斷損失能量，最終會停留在物質(zhì)中。它沿初始運動方向所行進的最大距離稱作入射粒子在該物質(zhì)中的射程。入射粒子在物質(zhì)中行經(jīng)的實際軌跡長度稱作路程。 重帶電粒子的質(zhì)量大，它與電子的相互作用不會導致其運動方向有大的改變，其軌跡幾乎是直線，射程基本等于路程。,3. 射程

11、能量為E0的帶電粒子的射程R可以表示為： 一般用實驗測定。 可以看出粒子的計數(shù)率n從開始下降到降為零這段距離內(nèi)被全部吸收，把計數(shù)率下降為一半的透射距離定義為粒子的平均射程R0. 對曲線a求導得到曲線b，稱為微分曲線，代表單位路程上的粒子數(shù)隨路程的分布，其峰值正好為平均射程R0。微分曲線分布的寬度表示射程的漲落，表明相同能量的粒子在同一物質(zhì)中的射程并不完全相同，這種漲落稱為射程岐離。 粒子在空氣中的射程數(shù)據(jù)總結(jié)出了半經(jīng)驗公式：,4. 能量岐離 上面說到了射程岐離，產(chǎn)生此現(xiàn)象的根本原因是重帶電粒子沿其徑跡所經(jīng)受的碰撞次數(shù)和每次碰撞所損失的能量，都是一個隨機量，同樣此原因?qū)е铝四芰酷x現(xiàn)象的出現(xiàn)。

12、 可以看出，同一能量的大量粒子在進入靶后，在不同深度處的能量岐離是不同的，進入靶越深，平均能量越小，而能量分布越寬，岐離越嚴重。,三、電子與物質(zhì)的相互作用,快速電子包括射線（正電子和電子）和單能電子束。由于電子的靜止質(zhì)量約是粒子的1/7000，所以與物質(zhì)的相互作用及在物質(zhì)中的運動軌跡都與重帶電粒子有很大的差異。 快速電子與物質(zhì)的相互作用有：（1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，引起原子的電離和激發(fā)；（2）核彈性庫倫散射，散射嚴重；（3）在電子減速或加速的過程中發(fā)射電磁輻射（軔致輻射）；（4）正電子或負電子的湮滅。 雖然電離和激發(fā)仍是重要的，但軔致輻射的作用不能隨意的忽略。并且在與軌道電子的一次作

13、用中，可以損失相當大份額甚至全部的能量，并顯著改變自己的運動方向。,1. 電離損失 快電子的能量損失率有電離損失和輻射損失組成。快電子與物質(zhì)相互作用的損失能量率遠小于重帶電粒子，在相同的能量情況下，電子的速度遠大于重帶電粒子的速度，因此，電子在單位路程上損失的能量遠小于重帶電粒子。 描述電離能量損失率的公式：,2. 輻射損失 帶電粒子在原子核庫侖場中被減速或加速，其部分或全部動能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁輻射。其能量損失稱為輻射損失。 電磁輻射的強度應正比于z2Z2 NE /m2。對電子的輻射損失率公式： 可以看出幾個結(jié)論： （1）輻射能量損失率與m2成反比。粒子質(zhì)量越小，軔致輻射強度越大。 （2）

14、輻射能量損失率與Z2成正比。電子打到高原子序數(shù)的材料時更易產(chǎn)生軔致輻射。用于產(chǎn)生X射線源。 （3）輻射能量損失率與粒子能量E成正比。,3. 能量損失 快速電子在物質(zhì)中的能量損失率可表示為： 有公式可以看出：電子的能量低時，電離損失占有主要的地位；而電子能量較高時，輻射損失就會越來越占有重要作用。在相對論區(qū)，有：,4. 彈性散射 電子穿過物質(zhì)時，運動方向的改變雖與原子核和核外電子發(fā)生非彈性碰撞有關(guān)，但主要還是由于原子核的庫倫力作用而發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。彈性碰撞過程中電子的能量變化很小，但方向變化很大，這就是彈性散射。 電子穿過物質(zhì)時要先后受到許多次原子核的彈性散射作用，稱為多次散射。經(jīng)過多次散射

15、后，散射角可以大于90，甚至可能是180，通常把大于90的散射稱為反散射。 fb隨反散射體厚度增加而增大，但厚度增加到一定程度后，fb達到飽和。,5. 電子的吸收 實驗表明，對于不同的吸收介質(zhì)，m隨原子序數(shù)的增加而緩慢的上升，對于同一種介質(zhì)，吸收系數(shù)m與粒子最大能量密切相關(guān)。對鋁有如下經(jīng)驗公式：,,6. 射線的射程 射線在低Z材料中的射程有如下經(jīng)驗公式， 當0.01E 2.5Mev時： 當E2.5Mev時： R0=0.530E-0.106 其中，射程R0用質(zhì)量厚度表示，單位是gcm-2，E為粒子的最大能量，單位是Mev。,,7. 正電子與物質(zhì)的相互作用 正電子在通過物質(zhì)

16、時，與核外電子及原子核相互作用，損失能量的主要過程和負電子一樣，即電離損失和輻射損失。在吸收體中的徑跡類似于負電子，其能量損失率及射程也與初始能量相等的負電子相同。 特點在于，在其慢化而快終止時，會與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅而消失，同時放出兩個光子。兩個湮滅光子能量均是0.511Mev，發(fā)生的方向相差180，即總動量是零。,四、其它形式的輻射,上述討論了帶電粒子穿過介質(zhì)時的兩種主要的能量損失方式電離損失和輻射損失，這也是能量低于20Mev的帶電粒子與物質(zhì)相互作用損失能量的主要過程。 對于高能帶電粒子而言，除了上述過程外，還會引起切倫科夫輻射和穿越輻射。 切倫科夫輻射是快速帶電粒子的速度大于光在介質(zhì)

17、中的速度而產(chǎn)生的。 穿越輻射是快速帶電粒子從一種介質(zhì)突然穿越到另一種具有不同光學特性（如不同介電常數(shù)）的介質(zhì)時產(chǎn)生的輻射。 上述兩種輻射的能量損失與電離損失相比占的比例很小，特別是低能的粒子，完全可以不考慮在能量損失之中，但是在高能物理中有很重要的意義。,第二節(jié)、光子與物質(zhì)的相互作用,作用方式： 光電效應 康普頓效應 電子對效應 瑞利散射,第一節(jié) 光子與物質(zhì)相互作用,1.光電效應 光子與原子的一個束縛電子相互作用，并將自身所有能量轉(zhuǎn)移給此束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失。 T光電子的動能； h入射光子的能量； EB電子的束縛能。,光電子打出后，在其原來的殼層產(chǎn)生一個空穴，并且原子處于激

18、發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定，退激的過程有兩種： 1）特征X射線（產(chǎn)額與Z有關(guān)） 2）俄歇電子 圖1. 光電效應、特征X射線和俄歇電子的發(fā)射示意圖,對于K殼層電子，發(fā)生光電效應的截面為： 其中，C1、C2為常數(shù)?？梢?， （1）原子序數(shù)Z越高越容易發(fā)生光電效應； （2）光子能量越高越不易發(fā)生光電效應。,光電子的角分布 在光電效應的試驗中，光子入射方向（定為0o方向）和反方向上（定為180o方向）均未觀察到光電子。 1）E很低時，光電子 趨于90o方向發(fā)射 2）E增加時，光電子 逐漸向前方向發(fā)射 圖2. 不同E時的光電子角分布,,2.康普

19、頓散射 對于能量比較高的射線，能夠忽略原子殼層電子的束縛能而將它們視為自由電子，光子可與這些自由電子發(fā)生非彈性碰撞，稱為康普頓散射。 圖3. 康普頓散射示意圖,康普頓散射符合能量和動量守恒定律： 其中，是以電子的靜止能量0.511MeV為單位的入射光子的能量，可知，當E很大時， （定值） 。,當=0o時 ；=180o時 Eemax即所謂的“康普頓邊界”。 和存在如下關(guān)系： 康普頓散射截面：,可見，在光子能量很低時，康普頓散射截面與光子能量無關(guān)，僅與Z成正比，但當光子能量較高時，截面與Z成正比，近似地與光子能量成反比。 當入射光子能量增加時，康 普頓散射截面

20、下降，但下降 速度比光電截面來得慢。 圖4. 電子的康普頓散射截面與 入射光子能量的關(guān)系,雖然電子康普頓反應截面隨入射光子能量升高而降低，但康普頓電子所得到的平均能量和這種能量占入射光子能量的份額fa是隨E升高而不斷增加的，因此可用康普頓散射截面和的fa乘積來表示“康普頓吸收截面”。 康普頓電子的角分布 當=0o變化到180o時， =90o變化到0o；康普頓電子的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。,,3.電子對效應 當光子從原子核旁經(jīng)過時，受核庫侖場的作用，轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電

21、子，而光子本身消失，此種過程稱為電子對效應。 圖5. 電子對效應示意圖,光子的能量轉(zhuǎn)化為正負電子對的總能量（動能加靜止能量）： 所以要生成電子對，光子能量必須大于2m0c2=1.022MeV,剩余的能量（h-2m0c2）作為動能在正負電子間分配。 正電子的湮沒 正電子經(jīng)減速后就同負電子復合，并放出兩個能量為0.511MeV的湮沒光子。,在對能量較大（1.5MeV）的光子進行輻射測量時，湮沒光子的產(chǎn)生會對測量結(jié)果造成一定影響： 湮沒輻射峰 單、雙逃逸峰 圖6.使用NaI探測器測量24Na 射線 得到的脈沖幅度譜,

22、電子對效應截面 1）能量較低時，p隨E線性 增加，高能時， p與光子 能量的變化就緩慢一些； 2）無論高能低能，都有 關(guān)系。 圖7. 電子對效應截面與E的關(guān)系,,4.瑞利散射 即相干散射，是光子同束縛電子間的散射，散射過程中光子偏離原方向，但其能量基本上是不變的。 瑞利散射截面 R隨E增加而急劇減少，E<200keV時，這種散射不能忽略；在0o時，瑞利散射最強，一般在30o范圍內(nèi)，相干散射效應就大于非相干散射占主要地位。,光子的減弱： 光子在物質(zhì)中的衰減，是上述多種相互作用的結(jié)果，因此總的減弱系數(shù)為： 由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本不變，可以看做光

23、子未發(fā)生過任何作用，因此在寬束輻射中通?？珊雎訰或R值，而只考慮光電效應、康普頓散射和電子對效應對光子衰減的貢獻。,比較k、c 和p可知： 1）三種效應發(fā)生的幾率都隨Z值增大而增大，因此高原子序數(shù)的物質(zhì)對光子具有更好的阻擋作用，這也是NaI探測器探測效率比HPGe高的原因 2）三者隨E的變化不盡相同， k、c都隨E增加而降低，但k降低的速度要比c快的多， p隨E的增加而增長 圖8. 光子三種效應的優(yōu)勢區(qū)域 圖9. 鉛的射線截面,射線衰減規(guī)律 由的定義可知 兩個相關(guān)概念： 平均自由程 半值層,第三節(jié)、中子與物質(zhì)的相互作用,主要內(nèi)容： 作用機理 作用分類 反應

24、截面,1. 作用機理 中子與原子核的相互作用過程有三種：勢散射、直接相互作用和復合核的形成。 （1）勢散射 最簡單的核反應，中子波和核表面勢相互作用，中子并未進入靶核，而是將其自身的部分或全部動能傳給靶核，成為靶核的動能。 勢散射時入射中子改變運動方向和能量，勢散射前后靶核的內(nèi)能沒有變化，中子與靶核系統(tǒng)的動能和動量守恒，所以勢散射是一種彈性散射。,（2）直接相互作用 入射中子直接與靶核內(nèi)的某個核子碰撞，使該核子從核里發(fā)射出來，而中子卻留在核內(nèi)。 中子要發(fā)生直接相互作用，必須要具有較高的能量，一般這種作用方式是不重要的。 （3）復合核的形成 入射中子被靶核 吸收形成一個新核復合核

25、 ，復合核的形成是中子與原子核發(fā)生作用的最重要形式。,中子和靶核在質(zhì)心坐標系的總動能EC和中子的結(jié)合能B構(gòu)成 復合核的激發(fā)能EX ，處于激發(fā)態(tài)的復合核有幾種衰變或分 解方式： （n，p）反應 （n，）反應 （n，n）反應 （n，n）反應 （n，）反應 （n，f）反應 圖10. 復合核的形成和衰變,共振現(xiàn)象 當入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的復合核激發(fā)態(tài)接近一個量子能級時，形成復合核的幾率（截面）就顯著地增大，這種現(xiàn)象就叫共振現(xiàn)象。 由實驗室坐標系的動能EL和質(zhì)心坐標系的動能EC關(guān)系式： 可知，當EC值等于復合核的一

26、個量子能級與結(jié)合能B之差時，中子反應截面會出現(xiàn)一個峰值，此EC值對應的EL即為發(fā)生共振時中子的動能。,,2. 作用分類 由上節(jié)的機理分析，我們可把中子與原子核的相互作用分為兩大類： 散射：有彈性散射和非彈性散射 吸收：包括輻射俘獲、核裂變、（n，）、（n，p）反應等。,中子的散射 1）非彈性散射 入射中子的一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说膬?nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后靶核通過發(fā)生射線又返回到基態(tài)，因此散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動量守恒，但動能不守恒。 入射中子的能量必須高于某一數(shù)值才能發(fā)生，具有閾能的特點，這種作用形式在快中子堆中比較常見。,2）彈性散射 彈性散射可分為共振彈性散射和勢散射，前

27、者經(jīng)過復合核的形成過程而后者不經(jīng)過； 彈性散射過程中，靶核內(nèi)能沒有變化，散射前后中子靶核系統(tǒng)的動能和動量是守恒的； 在熱中子反應堆中，中子從高能慢化到低能起主要作用的是彈性散射。,中子的吸收 中子吸收反應的重要特點是中子消失，是反應堆中影響中子平衡的重要因素。 1）輻射俘獲（n，） 發(fā)生在中子的所有能區(qū)，但低能中子與中等質(zhì)量核、重核作用易于發(fā)生這種反應，此反應往往伴隨較高的放射性。,2）（n，）、（n，p）等反應 （n，）反應 此類反應的代表 （n，）反應 此類反應的代表,3）核裂變 反應堆內(nèi)最重要的核反應，233U、 235U、 239Pu和 241Pu在各種能量中子作用

28、下均能發(fā)生裂變，且低能中子作用下裂變可能性較大，稱為易裂變同位素，而232Th、238U、240Pu等只有在中子能量高于某一閾值時才能發(fā)生裂變，稱作可裂變同位素。 常見的核裂變反應： 每次裂變釋放出約200MeV的能量。,,3. 反應截面 中子與原子核發(fā)生反應的截面與入射中子的能量和靶核的性質(zhì)有關(guān)，對于大多數(shù)元素，核反應截面隨中子能量E變化的特性大體上存在著三個區(qū)域： 1）低能區(qū)（E<1eV） 在該區(qū)吸收截面隨E的減小而逐漸增大，即與中子的速度成反比，因此這個區(qū)域也叫1/v區(qū)。 2）中能區(qū)（1eV

29、。,3）快中子區(qū)（E10KeV） 此處的中子反應截面通常都較小，多說情況下小于10bar，而且截面隨能量的變化變得比較平滑了。,第二章 射線與物質(zhì)的相互作用,第一節(jié) 引言 學習本章的意義 、等帶電粒子和物質(zhì)的相互作用 射線和x射線等不帶電的粒子與物質(zhì)的相互作用 射線與物質(zhì)的相互作用指的是與物質(zhì)當中的原子發(fā)生作用，即與原子核和核外電子發(fā)生的作用 射線與物質(zhì)相互作用的過程，經(jīng)典力學將其描述為一個碰撞過程 彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動能之和相等 非彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動能之和不相等,射線與物質(zhì)的相互作用主要分為四類： 1. 射線與核外電子的非彈性碰撞：電離、激發(fā) 電離： 入射的粒子將一部分能

30、量通過庫侖力傳遞給了靶原子核外的電子。核外電子獲得能量足以克服原子核對它的束縛而變成自由電子時，靶物質(zhì)的原子就變成了一個失去電子的正離子，即靶物質(zhì)中的原子分離成了一個自由電子和一個正離子。 如果發(fā)射出來的自由電子具有足夠的動能，還可能與其它的靶原子核繼續(xù)發(fā)生碰撞電離。 原子的最外層電子受原子核的束縛最弱，容易被電離。 如果原子的內(nèi)殼層電子(像K層、L層電子)被電離，便會在該殼層上留下空穴,外層的高能級電子就要向內(nèi)層的空穴躍遷.多余的能量就會以特征x射線或者俄歇電子的形式發(fā)射出來。,激發(fā): 如果入射粒子傳遞給靶原子核外電子的能量還比較小，不足以使其電離，但仍然可以使其從低能級狀態(tài)向高能級狀態(tài)躍遷

31、，其結(jié)果是使靶原子處于激發(fā)狀態(tài)。 處于激發(fā)狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一定要發(fā)生退激而回到基態(tài)。退激時釋放出來的能量以光的形式發(fā)射(這就是受激原子的發(fā)光)。這與原子核處于激發(fā)態(tài)，退激時發(fā)出射線的本質(zhì)不同。 入射粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，導致靶物質(zhì)中的原子電離和激發(fā)，是射線穿過物質(zhì)時損失能量的主要方式，稱之為電離損失. 2.射線與核外電子的彈性碰撞：散射 當入射粒子的能量較低時，入射粒子與靶原子核外電子發(fā)生彈性碰撞，入射粒子改變其運動方向，核外電子的能量狀態(tài)沒有什么變化。通常把這種現(xiàn)象稱之為散射。,3.射線與原子核的非彈性碰撞：軔致輻射 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時，受到靶原子核的吸引或者排斥，入

32、射粒子運動的速度和方向發(fā)生改變。隨著入射粒子能量的減弱，有一部分動能轉(zhuǎn)化成能量連續(xù)的電磁輻射軔致輻射。入射粒子與原子核的這種相互作用叫做非彈性碰撞。 4.射線與原子核的彈性碰撞：吸收 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時，改變了運動的速度和方向。碰撞后入射粒子將動能的絕大部分帶走。損失的能量并不產(chǎn)生電子，也不使核激發(fā)，而是傳遞給靶原子核，使其反沖。帶走大部分動能的入射粒子可在靶物質(zhì)中繼續(xù)進行多次彈性碰撞，最后被阻止在靶物質(zhì)中。,第二節(jié) 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 重帶電粒子：比電子質(zhì)量大的多的荷電粒子(粒子、質(zhì)子、氘核 ). 主要與物質(zhì)中靶原子核中的核外電子發(fā)生非彈性碰撞(使得原子發(fā)生電離或者激發(fā))。

33、與原子核發(fā)生彈性碰撞的幾率很小; 快速帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞損失的能量要比與靶原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞所損失的能量小三個量級。只是在入射的帶電粒子的能量很低時，才需要考慮由它與靶原子核的彈性碰撞引起的能量損失。 碰撞后入射粒子的運動方向幾乎保持不變。重的帶電粒子在物質(zhì)中的運動徑跡近似直線。 重帶電粒子的能量損失： 入射粒子的一部分能量轉(zhuǎn)移給核外電子，導致靶物質(zhì)原子電離或者激發(fā)。快速入射粒子轉(zhuǎn)移給核外電子的能量要比核外殼層電子的結(jié)合能大的多。把核外電子看成是靶物質(zhì)中的一個“自由電子”。入射帶電粒子與靶物質(zhì)核外電子之間的作用可以看成是彈性碰撞。和快速入射粒子的運動相比，可以把靶原子中作

34、軌道運動的電子，在碰撞前看成是處于“靜止”狀態(tài)。,1).能量損失率與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，而只與它的速度有關(guān)。 2).能量損失率與入射粒子的電荷數(shù)平方成正比。 3).能量損失率與靶物質(zhì)的NZ成正比。密度越大，原子序數(shù)越高的物質(zhì)，對入射粒子的阻止本領(lǐng)越大。,在中能區(qū)（0.2MeV20MeV），入射粒子能量的電離損失隨入射粒子能量的增加而減??；在低于500I的能量處，曲線有一最大值；在高能區(qū)（20MeV, 入射粒子的速度接近于光速c），電離能量損失率隨入射粒子能量的增加而緩慢上升，在小于3mc2附近的能量處有一寬的極小值。,帶電粒子在物質(zhì)中運動時，不斷損失能量。待能量耗盡時，便停留在物質(zhì) 中。 入射

35、粒子沿原來運動方向，從入射點到它終止點（速度等于0）之間的直線距離，即入射粒子沿入射方向穿透物質(zhì)的深度，是路程在入射方向上的投影， 稱之為入射粒子在該物質(zhì)中的射程，以R表示。 路程是指入射粒子在吸收體中所經(jīng)過的實際軌跡的長度。路程大于或者等于射程。 1).入射粒子在吸收物質(zhì)中的射程R與其質(zhì)量m及能量E有關(guān)。入射粒子質(zhì)量越小，能量約大，速度越大，射程越長 2).射程R和吸收物質(zhì)的電子密度NZ成反比。 粒子在空氣中的射程： 重帶電粒子在其它物質(zhì)中的射程：,粒子在某物質(zhì)中的射程為： 如果吸收物質(zhì)為化合物或混合物，,第三節(jié) 電子與物質(zhì)的相互作用 電子與物質(zhì)的相互作用主要有三種方式： 1).低能電子與

36、物質(zhì)的相互作用-電離損失； 2).高能電子與物質(zhì)相互作用時，與靶物質(zhì)原子核發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射損失能量； 3).入射電子和吸收物質(zhì)原子核的彈性碰撞將會使入射粒子改變運動的方向發(fā)生散射。多次散射使電子在物質(zhì)中的運動徑跡十分曲折。 與重帶電粒子與靶物質(zhì)核外電子發(fā)生非彈性碰撞的情況類似,入射電子也會與靶物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使得靶物質(zhì)的原子電離或者激發(fā)。 低能入射電子的電離能量損失率為： 粒子電離能量損失率最大值為0.5MeV；電子電離能量損失率最大值為146eV。 在能量相同的情況下，電子的速度要比粒子和質(zhì)子p的速度大的多。因而能量損失率小的多，其穿透本領(lǐng)要比粒子和質(zhì)子P大的多

37、。,在能量相同的情況下，電子的速度比粒子和質(zhì)子p的速度大，能量損失率小，其穿透本領(lǐng)要比粒子和質(zhì)子P的大。 入射帶電粒子在吸收物質(zhì)中每產(chǎn)生一對電子離子對所消耗的平均電離能只與吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，與入射粒子的種類無關(guān)。電子在物質(zhì)中產(chǎn)生一對電子離子對所需要消耗的能量與粒子相同。但電子在單位路程上的能量損失率較粒子小，電子的比電離值較小，電離本領(lǐng)較弱。 高能電子穿過靶物質(zhì)時，主要與靶原子核發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射(電磁輻射)，入射電子運動速度迅速減低，運動方向發(fā)生改變。這種能量損失的方式叫做輻射損失。 1.輻射損失與入射粒子質(zhì)量平方成反比。質(zhì)子P和粒子的質(zhì)要比電子的質(zhì)量大的多，在能量相同的情況下，

38、質(zhì)子或粒子的軔致輻射強度比電子小106倍。對重的帶電粒子，軔致輻射引起的能量損失完全可以忽略不計。 2.輻射能量損失與吸收物質(zhì)Z平方成正比。電子打到重元素中時，容易發(fā)生軔致輻射。 從電離損失的角度看，應該使用Z大的材料來防護電子，但高Z的材料會產(chǎn)生很強的軔致輻射，反而起不到防護的作用，所以應該采用低Z的材料來防護電子。對2MeV的電子，它的輻射損失占總的能量損失的比例，在有機玻璃中只占0.7，而在鉛中要占8。,3.輻射損失率與入射粒子的能量E成正比（這一點與電離能量損失的情況不同），入射電子能量低時，電離損失占優(yōu)勢；當能量高時，輻射損失就變得重要了。 軔致輻射也是連續(xù)譜：在軔致輻射過程中，入射

39、電子的動量由靶原子核、光子和被偏轉(zhuǎn)的電子三者之間分配，光子可以具有任何的動量值，其能量是連續(xù)的。 軔致輻射譜的分布是兩頭小中間大，其最大能量等于電子的能量，其強度的峰值約在電子能量一半的附近；射線的軔致輻射譜是各能量軔致譜的疊加；強度最大處的能量約低于譜的平均能量。 帶電粒子通過物質(zhì)時的總能量損失為電離損失和輻射損失之和： 電離能量損失與輻射能量損失之比為：,帶電粒子穿過物質(zhì)時，發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象，除了軔致輻射之外，還有另一種切倫科夫輻射。 切倫科夫輻射：是由于帶電粒子穿過物質(zhì)時，引起徑跡兩旁的物質(zhì)原子暫時極化。退極化時，會發(fā)射光子。 如果入射的電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，

40、而不輻射能量，這種過程叫做彈性散射。與粒子相比，電子質(zhì)量很小，散射角度會很大，經(jīng)過多次散射，最后會偏離原來的運動方向。入射電子的能量越低，靶物質(zhì)原子序數(shù)越大，散射也就越厲害。當Ee90度時，進入吸收物質(zhì)表面的電子，能從表面散射回來，稱之為反散射。 反散射系數(shù)：,低能電子在高原子序數(shù)Z且厚靶物質(zhì)上的反散射系數(shù)可能高達50%以上。在射線的測量中要使用低Z物質(zhì)，以減少反散射對測量的影響。 反散射系數(shù)隨散射物質(zhì)厚度的增加而增加，并達到一個飽和值。 飽和反散射厚度(質(zhì)量厚度)的經(jīng)驗表達式為： 反散射系數(shù)與反散射物質(zhì)原子序數(shù)Z的關(guān)系: 反散射前后的能量關(guān)系為：,第四節(jié) 正電子與物質(zhì)的相互作用 正電子通過物

41、質(zhì)時，也像負電子一樣，與靶物質(zhì)的核外電子和原子核相互作用產(chǎn)生電離損失、輻射損失、發(fā)生彈性碰撞。 能量相等的正、負電子，在物質(zhì)中的能量損失和射程大體相同 負電子在能量耗凈時，就停留在物質(zhì)中被吸收；而正電子的能量與周圍物質(zhì)達到熱平衡時在徑跡的末端，被靶物質(zhì)負電子吸引而發(fā)生湮滅，放出23個湮滅光子。 發(fā)生湮滅時，正負電子總動量為0，所以湮滅光子總能量等于正負電子靜止質(zhì)量： 實驗證明，正負電子湮滅時，發(fā)射3個光子與發(fā)射2個光子的幾率之比大約為1:1000 正電子壽命：在氣體中 107s；在固體中 1010s， 在金屬中 (1-3)1010s,第五節(jié) 射線在吸收物質(zhì)中的射程 粒子在物質(zhì)中的電離能量

42、損失率比小，它比粒子有更大的射程。 粒子質(zhì)量很大，碰撞后運動方向幾乎保持不變，粒子在物質(zhì)中的運動軌跡近似直線，射程與徑跡長度(即路程)近似相等； 電子的質(zhì)量很小，在吸收物質(zhì)中的徑跡非常曲折。電子在物質(zhì)中的路程遠大于射程(1.2 1.4倍)。 電子入射到靶物質(zhì)后，其能量損失的統(tǒng)計漲落較大，又經(jīng)過多次散射，射程的不確定性大大增加，射程的歧離可達1015。 射線或者單能電子穿過一定厚度的吸收物質(zhì)時，其強度減弱的現(xiàn)象叫做吸收。 單能電子在物質(zhì)中的吸收曲線：通過加吸收片的辦法測量 單能電子的吸收隨吸收物質(zhì)厚度近似線性的變化，把吸收曲線的線性部分外推到0，定出電子的射程，叫外推射程R。 當電子束的強度降低

43、到原來強度的1/2時，吸收片的厚度叫它的平均射程。,粒子能量是連續(xù)分布的，其吸收曲線與單能電子的吸收曲線明顯不同，近似為指數(shù)曲線。 能譜中，用最大能量Emax的電子所對應的射程表示射線的射程，叫做射線的最大射程R。 射線在空氣中的射程很長，不便測量，通常用鋁吸收片測定其吸收曲線 實驗表明，對于不同的物質(zhì)，質(zhì)量吸收系數(shù)隨原子序數(shù)的增加而緩慢的增加。對于同一種物質(zhì)，與射線的最大能量之間有如下的經(jīng)驗關(guān)系：,如果采用質(zhì)量吸收系數(shù)和質(zhì)量厚度來表示，則有： 使射線的強度減弱一半的吸收厚度叫半吸收厚度，它和質(zhì)量吸收系數(shù)的關(guān)系為： 射程與能量的經(jīng)驗公式為：,第六節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用 射線與物質(zhì)的相互作用和

44、帶電粒子(包括電子)與物質(zhì)的相互作用顯著不同。 光子不帶電，它不能像帶電粒子那樣直接與靶物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生庫侖碰撞而使之電離或激發(fā)，也不能與靶物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞導致散射或輻射損失。 在E<30MeV時，射線與物質(zhì)的相互作用主要有以下三種方式：光電效應、康普頓散射和電子對效應。 射線與物質(zhì)發(fā)生這三種相互作用時，都具有一定的概率，通常用截面來表示作用概率的大小 截面的單位為巴：1b=10-24cm2； 總截面就等于三種效應截面之和，即,1.光電效應： 入射光子打在靶物質(zhì)的原子上，將光子能量全部地轉(zhuǎn)移給靶原子。然后，由靶原子的某一殼層飛出一個軌道電子，而剩余的原子受到反沖。在光電效應中發(fā)射出來的

45、這個電子叫光電子。 靶物質(zhì)的原子吸收了入射光子的全部能量之后，將其中一部分交給某一殼層電子，使其脫離原子核的束縛而飛出來，成為自由電子光電子。所需要的電離能即為電子在原子中的結(jié)合能。另一部分能量就變成了光電子的動能。 光電子的能量就是入射光子的能量和該殼層電子的結(jié)合能之差。 光電效應只能在束縛電子（殼層電子）上發(fā)生。殼層電子在原子中束縛的越緊，產(chǎn)生光電效應的概率就越大。 光電效應發(fā)生的必要條件是入射光子的能量要大于殼層電子的結(jié)合能。入射光子的能量超過K層電子的結(jié)合能，大約有80的光電吸收發(fā)生在K殼層電子上。,光電效應打出殼層電子，必然在該殼層上留下空穴，前面已經(jīng)講過，隨之而來，會有特征x射線或

46、俄歇電子發(fā)射出來。 通常放射性同位素放出的射線能量要比電子的結(jié)合能大的多。可以近似的認為光電子的動能就等于射線的能量。 入射光子的能量很高時，相對來說，電子的束縛程度就低，光電效應的截面就小。 隨著入射光子能量的減小，光電效應的截面ph就增大。 入射射線的能量與K層電子的結(jié)合能相當時，反應截面達到峰值。 當E略小于Ek時，光電效應在K層上不能發(fā)生。 越到外層的軌道電子，受原子核的束縛越小，發(fā)生光電效應的概率就越小。,光電效應打出殼層電子，必然在該殼層上留下空穴，前面已經(jīng)講過，隨之而來，會有特征x射線或俄歇電子發(fā)射出來。 通常放射性同位素放出的射線能量要比電子的結(jié)合能大的多。可以近似的認為光電子

47、的動能就等于射線的能量。 入射光子的能量很高時，相對來說，電子的束縛程度就低，光電效應的截面就小。 隨著入射光子能量的減小，光電效應的截面ph就增大。 入射射線的能量與K層電子的結(jié)合能相當時，反應截面達到峰值。 當E略小于Ek時，光電效應在K層上不能發(fā)生。 越到外層的軌道電子，受原子核的束縛越小，發(fā)生光電效應的概率就越小。,光電效應的截面與入射光子能量的關(guān)系: 當入射光子的能量很高時，相對來說，電子的束縛程度就低，光電效應的截面就小。隨著入射光子能量的減小，光電效應的截面ph就增大。當入射射線的能量與K層電子的結(jié)合能相當時，反應截面達到峰值。當E略小于Ek時，光電效應在K層上不能發(fā)生。越到外層

48、的軌道電子，受原子核的束縛越小，發(fā)生光電效應的概率就越小。 當 時,光電效應主要發(fā)生在k殼層上,它所占的比例約80%.,光電效應的截面ph與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)系 ： 靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z較低時，軌道電子在原子中的束縛就小。所以光電效應的截面就小。Z越大的物質(zhì)，殼層電子受原子核的束縛就越大，越容易發(fā)生光電效應。光電效應的截面ph與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)系： 當E較高時，只有在重元素中光電效應才比較顯著；對于輕元素，只有E較低時，光電效應才比較明顯。 光電子的角分布 ：相對于光子的入射方向而言，在不同的角度，光電子的產(chǎn)額是不一樣的。 在0度方向和180度方向上，都沒有光電子發(fā)射出來。而在其它

49、的某一角度，光電子出現(xiàn)的幾率最大。 當E很低時（E20keV時，角分布的總趨勢是向光子的入射方向靠攏。,,2.康普頓散射: 入射的光子與原子核外電子之間的非彈性碰撞產(chǎn)生康普頓散射。入射光子把一部分能量轉(zhuǎn)移給核外的軌道電子，使其脫離原子核的束縛而成為反沖電子。入射光子的運動方向發(fā)生改變，能量減少被散射。 光電效應中，光子本身消失，把能量完全交給了光電子： 康普頓效應中，光子改變運動方向，只損失掉一部分能量。 光電效應發(fā)生在束縛得最緊的內(nèi)層電子上：康普頓效應總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。 光子與束縛電子之間的康普頓散射，嚴格的講是一種非彈性碰撞過程，但外層電子的結(jié)合能很小，一般在eV的數(shù)量級，

50、與入射光子的能量相比完全可以忽略，可以把外層電子看成是“自由電子” ，可以把康普頓效應看成是光子與處于靜止狀態(tài)的自由電子之間的彈性碰撞。 用相對論的能量、動量守恒定律，推導出散射光子和反沖電子的能量與散射角的關(guān)系。,當散射角等于0度時，散射光子的能量就等于入射光子的能量；散射光子的能量達到最大值。此時，反沖電子的能量等于0。入射光子從電子旁邊掠過，未受到散射，光子沒有損失能量。 當散射角度等于180度時，入射光子與電子對心碰撞，并且沿完全相反的方向散射回來。反沖電子則沿入射光子的方向飛出，叫反散射。此時，散射光子能量最小，反沖電子能量最大。,康普頓散射截面是對電子而言，整個原子的康普頓散射截面

51、是原子中各個電子康普頓散射截面的線性相加。 當入射光子能量很低時 散射截面與入射光子的能量無關(guān)，僅與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z成正比。 當入射光子能量較高時 散射截面不僅與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z成正比，還近似地與入射光子的能量成反比。隨著入射光子能量的增加，康普頓散射截面下降，下降速度比光電截面下降速度慢。 散射光子可以向各個方向散射，入射光子的能量越高，散射光子越是朝前散射。對應于不同方向的散射光子，反沖電子的能量也不同。反沖電子只能在<90度的方向發(fā)射，在反沖電子能量的最大處，反沖電子的數(shù)目最多。,,,,3.電子對效應： 當光子從靶物質(zhì)的原子核旁邊經(jīng)過時，在庫侖場的作用下，光子轉(zhuǎn)化成一個正電子

52、和一個負電子。 只有當射線能量1.02MeV時才能發(fā)生電子對效應。 入射光子的能量一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎撾娮訉Φ撵o止質(zhì)量，其余的作為電子對的動能。 靶原子核也參與電子對效應的過程發(fā)生反沖，但反沖能很小，可以忽略不計。 電子對效應在電子的庫侖場中也能發(fā)生。此時的入射光子能量至少是4倍的m0c2，而且發(fā)生的概率要比原子核庫侖場中小103倍。 對一定能量的入射光子，產(chǎn)生的正負電子動能之和為常數(shù)。但正負電子之間的能量分配是任意的。 產(chǎn)生的正負電子對在吸收物質(zhì)中，通過電離損失和輻射損失消耗能量。正電子在吸收體中很快會被慢化，并將被湮滅。 湮滅產(chǎn)生的光子在物質(zhì)中繼續(xù)發(fā)生相互作用。,產(chǎn)生的正負電子對在吸收物質(zhì)中

53、，通過電離損失和輻射損失消耗能量。正電子在吸收體中很快會被慢化，并將被湮滅。湮滅產(chǎn)生的光子在物質(zhì)中繼續(xù)發(fā)生相互作用。 電子對效應的截面用p表示：,,,,,,,總之，以上三種效應對于入射光子的能量和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)都有一定的依賴關(guān)系。因此，對不同的吸收物質(zhì)和能量區(qū)間，這三種效應的相對重要性是不同的，,4. 射線的吸收: 入射光子穿過物質(zhì)時，與該物質(zhì)的原子發(fā)生光電效應、康普頓效應和電子對效應。入射光子或者消失或者散射后改變能量，偏離原來的入射方向，從原來的入射束中移去。 那些沒有與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子會穿過吸收層，能量將保持不變。 射線穿過物質(zhì)時，強度逐漸減弱，可以用半吸收厚度來表示射線對物質(zhì)

54、的穿透情況。 射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)要比、粒子大的多。因此，對射線的防護要比對、射線的防護困難的多。 射線（準直的）通過吸收物質(zhì)時，其強度減弱仍然遵循指數(shù)衰減規(guī)律。 考慮三種效應中的每一種，總的吸收系數(shù)為,,,單位體積吸收物質(zhì)中的原子數(shù)： 在許多情況下，采用質(zhì)量衰減（吸收）系數(shù)更方便 三種效應的截面隨入射射線的能量和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z而變化；衰減系數(shù)也就隨和Z而變化。 射線在化合物或合物中的質(zhì)量吸收系數(shù)可按下式計算： 式中，為組成化合物中各元素的重量百分比。,,,,,,結(jié),射線與物質(zhì)的相互作用 小結(jié) 射線(入射粒子)與靶物質(zhì)原子核外殼層電子的非彈性碰撞 入射粒子與殼層電子的彈性

55、碰撞 入射粒子與原子核的非彈性碰撞 入射粒子與原子核的彈性碰撞 重帶電粒子(粒子)與物質(zhì)的相互作用 主要與核外殼層電子發(fā)生非彈性碰撞:使靶物質(zhì)原子核電離或者激發(fā)-入射粒子能量發(fā)生電離損失; 與原子核彈性碰撞的幾率很小,比與核外殼層電子發(fā)生非彈性碰撞的幾率小3個量級,只在入射粒子能量很低時才需要考慮; 與原子核的非彈性碰撞引起的輻射能量損失也完全可以忽略不計.,小結(jié),輕帶電粒子(電子)與物質(zhì)的相互作用 低能電子與核外殼層電子發(fā)生非彈性碰撞:使靶物質(zhì)原子核電離或者激發(fā)-入射粒子能量發(fā)生電離損失; 高能電子主要與原子核發(fā)生非彈性碰撞,產(chǎn)生軔致輻射損失能量; 入射電子與原子核發(fā)生彈性碰撞,入射粒子發(fā)生

56、散射,改變運動的方向. 正電子與物質(zhì)的相互作用 正電子與物質(zhì)的相互作用與負電子與物質(zhì)的相互作用能量損失和射程大體相同. 區(qū)別:負電子在能量耗盡時,就停留在物質(zhì)中被吸收;正電子的能量與周圍物質(zhì)達到熱平衡時,在徑跡的末端,被靶物質(zhì)的負電子吸引,發(fā)生湮滅輻射,放出2-3個湮滅光子.,小結(jié),帶電粒子在吸收物質(zhì)中的能量損失率 入射帶電粒子，特別是粒子和低能電子在吸收物質(zhì)中主要引起電離,產(chǎn)生電子離子對。 每產(chǎn)生一對電子離子對所消耗的平均電離能只與吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而與入射粒子的種類無關(guān)。電子在物質(zhì)中產(chǎn)生一對電子離子對所需要消耗的能量與粒子相同。 帶電粒子在吸收物質(zhì)中穿過單位路程長度時的平均能量損失率與入

57、射粒子電荷數(shù)平方成正比。粒子的電離能量損失率比電子大, 粒子的比電離值大,電離本領(lǐng)大,穿透能力弱。 高能電子在吸收物質(zhì)中主要產(chǎn)生軔致輻射。隨著能量的升高，輻射能量損失逐步占優(yōu)勢。,小結(jié),帶電粒子在靶物質(zhì)(吸收物質(zhì))中的射程 粒子(重帶電粒子)在物質(zhì)中的射程近似為直線;徑跡(路程)與射程近似相等; 粒子在物質(zhì)中的射程較短,粒子在物質(zhì)中的穿透本領(lǐng)小易防護; 電子在吸收物質(zhì)中的電離能量損失率比小，因此有比更長的射程，穿透本領(lǐng)比大，需要采用輕物質(zhì)進行防護。 電子質(zhì)量遠小于粒子，易受靶原子核的散射。經(jīng)過多次散射，徑跡曲折，路程遠大于射程。 射線在空氣中的射程很長(4MeV的粒子射程長達15m)，通常用鋁

58、吸收片測量粒子的射程. 射線在鋁中的吸收也服從指數(shù)衰減規(guī)律：,,小結(jié),射線與物質(zhì)的相互作用 光子不帶電，射線與物質(zhì)的相互作用和帶電粒子(包括電子)與物質(zhì)的相互作用有顯著的不同 。 射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生3種效應：光電效應、康普頓散射和電子對效應 光電效應：光子能量全部地轉(zhuǎn)移給靶原子，由靶原子某一殼層飛出一個軌道電子光電子，光子本身消失。光電子的能量等于入射光子的能量和殼層電子的結(jié)合能之差。光電效應通常發(fā)生在束縛最緊的k殼層電子上(80%) 光電效應的截面與射線的能量成反比，與靶物質(zhì)原子序數(shù)的5次方成正比。 康普頓散射：入射的光子與殼層電子發(fā)生非彈性碰撞，把一部分能量轉(zhuǎn)移給殼層電子，殼層電子獲得

59、能量，脫離原子核的束縛，變成反沖電子；入射光子能量減少，運動方向發(fā)生改變被散射?？灯疹D散射總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。,散射光子與入射光子之間夾角散射角；反沖電子與入射光子之間夾角反沖角。 散射角180度，散射光子沿與入射光子完全相反的方向散射；反沖電子沿入射光子的方向飛出發(fā)生反散射，反沖電子能量達到最大。 入射光子能量低時，康普頓散射截面與入射光子能量無關(guān)，與吸收物質(zhì)原子序數(shù)成正比；入射光子能量較高時，康普頓散射截面不僅與吸收物質(zhì)原子序數(shù)成正比，還近似地與入射光子能量成反比。 電子對效應：入射光子從靶物質(zhì)原子核旁邊經(jīng)過，在庫侖場作用下，轉(zhuǎn)化成1個正電子和1個負電子。 入射光子能量大于1

60、.02MeV時才能發(fā)生電子對效應。入射光子能量小部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉o止質(zhì)量，其余轉(zhuǎn)換為電子對動能。 電子對效應在殼層電子的庫倫場中也能發(fā)生，但發(fā)生幾率比在原子核庫倫場中小103倍。 電子對效應產(chǎn)生的正負電子對在吸收物質(zhì)中也通過電離損失和輻射損失消耗能量。正電子能量與周圍物質(zhì)達到熱平衡時在徑跡的末端發(fā)生湮滅，放出湮滅光子。,第小結(jié),小結(jié),電子對效應的截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比；與入射光子能量成正比；當入射光子能量很大時，與入射光子能量的對數(shù)成正比。 對不同的吸收物質(zhì)和不同的能量區(qū)間，三種效應的相對重要性不同： 1).對于低能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，光電效應占優(yōu)勢。 2).對于中等能量的射線和原子序數(shù)低的物質(zhì)，康普頓效應占優(yōu)勢。 3).對于高能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，電子對效應占優(yōu)勢。 射線的吸收： 入射光子穿過吸收物質(zhì)時，通過3種效應損失能量，入射光子或者消失，或者被散射后改變能量，偏離原來的入射方向，從入射束中移去。 那些沒有與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子會穿過吸收物質(zhì)層，其能量保持不變。 射線穿過吸收物質(zhì)，強度減弱，仍然服從指數(shù)衰減規(guī)律：,,