射線與物質(zhì)的相互作.pptVIP

第五節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用,前面介紹了放射性核素會(huì)放出 、 、 和中子等射線。 掌握各種射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律有三方面意義： (1) 對(duì)射線進(jìn)行必要的防護(hù)，以免對(duì)人體造成危害；,、,、,、,、,、,、,(2) 對(duì)各種射線加以利用，使之用來治病、診斷和測(cè)厚、探傷及育種等等；,、,、,人頭核磁共振圖,考古斷代,(3) 以便制造出各種有效的探測(cè)器械。 原子核在衰變過程中發(fā)出的各種射線通過物質(zhì)時(shí)，將和物質(zhì)發(fā)生的一系列相互作用。,、,、,、,、,粒子 軌跡圖,下面就原子核在衰變過程中發(fā)出的各種射線通過物質(zhì)時(shí)，將和物質(zhì)發(fā)生的一系列相互作用進(jìn)行分類介紹。,一、 射線與物質(zhì)的相互作用： 射線是電磁波，波長(zhǎng)比 X 射線更短。 射線透過物質(zhì)時(shí)將會(huì)逐漸減弱，其強(qiáng)度隨吸收物的厚度按指數(shù)規(guī)律衰減： 線衰減有兩種原因，一是吸收，二是散射(改變方向，沒有能量散失)，因此是由兩部分構(gòu)成的。,、,、, 光子進(jìn)入物質(zhì)被吸收的方式有以下幾種： 光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)生成。 此外還可能發(fā)生光致核反應(yīng)、核共振反應(yīng)和相干散射，只是可能性一般很小。,當(dāng)能量很高(大于 30 MeV )時(shí)，才考慮光致核反應(yīng)和核共振反應(yīng)； 而當(dāng)能量很低(小于 100 keV )時(shí)，才慮及相干散射。,1光電效應(yīng) (photo electric effect), 當(dāng) 光子與物質(zhì)中原子相互作用時(shí)，將其全部能量交給原子中的內(nèi)層電子(主要是 K 殼層電子，也可以是 L 殼層或其他殼層的電子)，電子獲得能量后，隨即脫離原子而飛出。,光電效應(yīng) K 殼層電子獲能后，飛出原子。,K 層,光電效應(yīng) L 殼層電子獲能后，飛出原子。,L 層,光電效應(yīng)中 釋放的電子 叫光電子。 當(dāng)光電子的 能量等于或 略高于殼層電子與原子的結(jié)合能時(shí)， 發(fā)生這種過程的幾率最大。,在醫(yī)學(xué)上常用能量較低的 和 X 射線跟原子序數(shù)較高的物質(zhì)作用時(shí)，光電效應(yīng)往往占主導(dǎo)地位。 在光電效應(yīng)中，由于發(fā)射了光電子的原子內(nèi)殼層上出現(xiàn)了一個(gè)空位，因而該原子便處于激發(fā)態(tài)，但這一空位很快將被外層電子填充掉，并放出該元素的標(biāo)識(shí)射線。,L層,K 層,M層,所以，在光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，照射的光子被消失， 伴隨著出現(xiàn)光電子和元素的標(biāo)識(shí)譜線。 模式圖,Kr,K,2康普頓散射效應(yīng) 能量較大的 光子與原子中比較外層的、束縛不太緊密的電子相碰撞時(shí)， 光子將其部分能量傳給較外層的電子，使之脫離原子成為反沖電子，而 光子由于損失一部分能量，就改變了頻率和運(yùn)動(dòng)方向。,M 層電子飛出原子。光子損失部分能量，改變了頻率和運(yùn)動(dòng)方向。,M層,對(duì)于散射作用來說，入射光束在其前行方向上的射線強(qiáng)度有明顯的減弱。,另一種散射過程是： 光子與原子核結(jié)合較緊密的內(nèi)層電子碰撞時(shí)，光子只是改變其行進(jìn)的方向，但光子的能量可以不損失。 原因 內(nèi)層電子被原子核緊緊地束縛著，故只能吸收特定的能量。當(dāng)光子的能量不足以把內(nèi)層電子轟出原子時(shí)，內(nèi)層電子也不會(huì)吸收能量。,光子只改變行進(jìn)方向，但光子的能量不損失。,K層,以上兩種情況統(tǒng)稱為散射。 只有光子的散射才能使射線在原來前行方向上的強(qiáng)度有所減弱。 物質(zhì)中發(fā)生的大多數(shù)散射效應(yīng)，是屬于中等能量的光子。,3對(duì)電子生成 ( pair production ) 入射光子的能量大于兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的能量 ( 大于 1.02 MeV )， 光子經(jīng)過原子核附近時(shí)，在原子核場(chǎng)的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子 ( positron ) 和一個(gè)負(fù)電子，這一現(xiàn)象叫做對(duì)電子生成。,光子能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎?、?fù)電子的 靜止質(zhì)量外，剩余能量轉(zhuǎn)化為正、負(fù)電子的動(dòng)能。,雖然在真空中正電子是穩(wěn)定的，但它在物質(zhì)中卻不能長(zhǎng)期存在， 正電子與物質(zhì)中的原子碰撞后將逐漸失去其動(dòng)能。 4.電子對(duì)湮滅 ( pair annihilation ) 正電子與一個(gè)負(fù)電子結(jié)合，并一起化為兩個(gè)反方向飛行的、同能量（0.511 MeV）的光子對(duì)。,射線的穿透能力比 X 射線還要強(qiáng)。 當(dāng)射線通過物質(zhì)并與原子相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和正負(fù)電子對(duì)三種效應(yīng)。 原子核釋放出的光子與核外電子相碰時(shí)，會(huì)把全部能量交給電子，使電子電離成為光電子，此即光電效應(yīng)。,光電效應(yīng): 因核外電子殼層出現(xiàn)空位，將產(chǎn)生內(nèi)層電子的躍遷并發(fā)射 X 射線標(biāo)識(shí)譜。 高能光子（2兆電子伏特）的光電效應(yīng)較弱。,低能量 光子和高原子序數(shù)的物質(zhì)作用，以光電效應(yīng)為主；,康普頓效應(yīng): 光子的能量較高時(shí)，除上述光電效應(yīng)外，還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞， 光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有改變，從而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。,中等能量光子則以康普頓散射為主,正負(fù)電子對(duì): 當(dāng)光子的能量大于電子靜質(zhì)量的兩倍時(shí)，由于受原子核的作用而轉(zhuǎn)變成正負(fù)電子對(duì)，此效應(yīng)隨光子能量的增高而增強(qiáng)。,低能量 光子以光電效應(yīng)為主；,中等能量光子則以康普頓散射為主,在高能 光子以電子對(duì)生成為主。, 光子與物質(zhì)作用的三種形式與光子的能量和物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。,光子不帶電，故不能用磁偏轉(zhuǎn)法測(cè)出其能量， 通常利用光子造成的上述次級(jí)效應(yīng)間接求出，例如通過測(cè)量光電子或正負(fù)電子對(duì)的能量推算出來。 此外還可用譜儀（利用晶體對(duì)射線的衍射）直接測(cè)量光子的能量。,由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計(jì)數(shù)器是探測(cè)射線強(qiáng)度的常用儀器。 通過對(duì)射線譜的研究可了解核的能級(jí)結(jié)構(gòu)。 射線有很強(qiáng)的穿透力，工業(yè)中可用來探傷或流水線的自動(dòng)控制。,射線對(duì)細(xì)胞有殺傷力，醫(yī)療上用來治療腫瘤。,刀放射療法：,二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用： +、-、 等射線都是由帶電粒子組成的。 當(dāng)這些運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)，因損失能量而使其速度將逐漸降低，能量主要消耗于使原子電離或激發(fā)上。這種能量損失常稱做電離損失。,1電離： 直接電離（ionization） 、 射線 都是些高速運(yùn)動(dòng)的帶電體，它們?cè)诟咚龠\(yùn)行的途中由于靜電力的作用，使原子或分子中的電子脫離出來，而形成自由電子和正離子。,間接電離(或次級(jí)電離) 通常脫離出來的自由電子也具有較大的動(dòng)能，繼而又引起其他原子或分子的再次電離。 電子損失動(dòng)能后，最終附著在原子或分子上成為負(fù)離子。,同時(shí)，高速帶電粒子射線也能使原子或分子處于高激發(fā)態(tài)，這些處于激發(fā)態(tài)的原子或分子將會(huì)發(fā)射光子，或?qū)⒓ぐl(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇\(yùn)動(dòng)的能量。 帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，在它所經(jīng)歷過的路徑上留下許多離子對(duì)。,比電離 ( specific ionization ) 每厘米路徑上所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，又稱為電離密度。 比電離的大小取決于帶電粒子的電量、速度和被照射物質(zhì)的密度，是表征粒子電離本領(lǐng)的強(qiáng)弱。,粒子帶電量多，則作用于原子外層電子的力就大； 速度小，則作用的時(shí)間就長(zhǎng)； 物質(zhì)密度大，意味著作用機(jī)會(huì)相應(yīng)增加，故所產(chǎn)生的比電離就大。 因此粒子的速度小、電荷量多，物質(zhì)的密度大，比電離就大；反之就小。,因 粒子的質(zhì)量 粒子的速度， 在同樣能量的條件下，在同一物質(zhì)中 粒子的電離比值要比 粒子大得多。,例如 1 MeV 的粒子在空氣中的電離比值為：40000 對(duì)離子cm， 而 1 MeV 的 粒子的電離比值只有： 50對(duì)離子cm。 同能量的（+）粒子與（-）粒子和物質(zhì)的作用略有不同，但是一般都近似地認(rèn)為兩者相同。,與 粒子的電離比值的差別原因有兩點(diǎn)： 其一， 粒子的電量是粒子電荷的兩倍； 其二，同為 1 MeV 能量的和粒子，它們的速度相差很遠(yuǎn)， 粒子 光速，而粒子的速度則為光速的 94，幾乎為光速。,故與粒子的比電離有差別。 圖給出了兩種 不同能量的 粒子在空 氣中所產(chǎn)生 的電離比值 隨距離變化的情況。,開始電離 比值較小， 隨著能量漸 次損耗， 粒子速度減 慢， 此時(shí) 的電離比值逐漸增大，并達(dá)到某一峰值，,曲線(1)對(duì)應(yīng)著能量較小的粒子； 曲線(2)對(duì)應(yīng)于能量較大的粒子。 兩者起始速 率值的不同， 它們的電離 比值也不同。,此后當(dāng)粒子能量消耗殆盡之時(shí)，跟著電離比值便急劇下降至零。,然而對(duì)于粒子來說，其質(zhì)量比 粒子小很多，它在物質(zhì)中通過時(shí)，徑跡甚為曲折復(fù)雜，不便于用上面類似的圖形來表示它的電離比值。 通常是采用測(cè)量粒子的能量與 粒子的電離比值關(guān)系來表征出粒子的電離情況。,測(cè)量粒子的能量與粒子的電離比值關(guān)系來表征出粒子的電離情況。,2、帶電粒子的散射： 散射 (scattering) 當(dāng)帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，受原子核靜電作用而改變其運(yùn)動(dòng)方向的現(xiàn)象。 依前述知粒子質(zhì)量遠(yuǎn)大于粒子的質(zhì)量，故粒子的散射現(xiàn)象不太明顯，其徑跡基本上呈一直線，而 粒子的散射則十分明顯。,粒子的散射現(xiàn)象不太明顯，其徑跡基本上呈一直線， 而粒子的散射則十分明顯。,軔致輻射 當(dāng)帶電粒子深入物質(zhì)后，受到原子核的阻擋，其速度突然銳減而將其損失的動(dòng)能以光子的形式輻射出來。,實(shí)驗(yàn)表明，由軔致輻射損失的能量與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，而與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比，并隨著帶電粒子能量的增加而增大。 當(dāng)放射性核素所發(fā)出的粒子能量不夠大時(shí)，其軔致輻射可以忽略。,粒子在空氣和水中的輻射損失較少，只是在原子序數(shù)較高的鎢和鉛中，輻射損失達(dá)到總能量損失的 1。 3、射程 ( range ) 帶電粒子在氣體中由開始到停止所通過的最大距離。,帶電粒子在通過物質(zhì)時(shí)，由于電離、激發(fā)、散射和軔致輻射，其能量不斷地?fù)p失，最后停止下來。 （- ）粒子成為自由電子； 而（+ ）粒子將與電子結(jié)合轉(zhuǎn)化為兩個(gè)能量各為 0 . 511 MeV 的光子。,能量耗盡后的粒子將俘獲兩個(gè)自由電子變成中性的 He 原子；,一般在氣體中粒子的射程為數(shù)厘米左右。 例如由鐳 射出的粒子，其開始速度約 15 000 kms，在空氣中的射程約 3.2 cm； 又如釷 的粒子初速度約為20 000 kms，它在空氣中的射程約為 8.2 cm；,但粒子在液體及固體中的射程變短。 實(shí)驗(yàn)表明：電離比值愈大，粒子的能量損失愈快，射程就愈短。 粒子的電離比值 粒子， 故粒子的射程比粒子長(zhǎng)得多，即粒子穿透能力強(qiáng)于粒子。,如粒子在生物體內(nèi)的射程為 0.030.13 mm； 粒子在生物體內(nèi)的射程為幾至幾十毫米，且粒子在空氣中的射程可達(dá)幾米之遙。 因此，在外照射情況下，粒子的危害性不大，也易于防護(hù)，而 粒子的危害就大得多了。,在內(nèi)照射情況下，粒子的電離比值大，傷害很集中，故粒子的傷害嚴(yán)重性應(yīng)尤為注意。 同一種物質(zhì)對(duì)帶電粒子的吸收作用與物質(zhì)層的厚度有關(guān)，也與射線的種類有關(guān)。,能量等同的射線，通過不同厚度的空氣時(shí)，分別測(cè)出通過后的粒子數(shù)，就可得射線的吸收曲線， 粒子的數(shù)目開始時(shí)并不隨吸收體厚度的增加而減少， 但每個(gè)粒子的能量在減小，速度在減慢。,當(dāng)接近射程末端時(shí)，粒子數(shù)急劇減少為零，,這表明能量單值的粒子的射程基本上趨于一致， 習(xí)慣上用粒子在空氣中平均射程來反映它的能量。,實(shí)驗(yàn)表明，物質(zhì)對(duì)粒子的吸收情況遵守指數(shù)衰減規(guī)律，即： 式中為射線 在該吸收物質(zhì)中的線性衰減系數(shù)（因物質(zhì)不同而異）；d 為吸收厚度。,圖為粒子穿過鋁板時(shí)的吸收曲線。,可見粒子與粒子的吸收曲線不同。 因?yàn)橥环派湓窗l(fā)出的粒子也具有各不相同的能量值， 故能量值小的先被吸收掉， 能量大的經(jīng)過較厚的吸收體才被吸收掉。,能量值小的先被吸收掉， 能量大 的 經(jīng)過較 厚的吸 收體才 被吸收掉。,三、不同物質(zhì)對(duì)各種射線的吸收： 粒子的 吸收 用普通的紙 或衣服就可 把粒子吸 收掉。,粒子的吸收 用適當(dāng)厚 度的鋁阻 止粒子 通過。, 粒子的吸收 射線對(duì)物質(zhì)的穿透力，較、射線都強(qiáng)， 如鐳的線透過 10 cm 厚的鉛時(shí)，才減少到 0 . 5 以下(此時(shí)仍未被全吸收)， 在水中通過 1 . 5 m 時(shí)，僅減少約 1 左右。,粒子的防護(hù) 鉛可阻止 粒子通過， 物質(zhì)密度大 的厚鉛可吸 收粒子。,中子射線的防護(hù) 中子不帶電，當(dāng)它通過物質(zhì)時(shí)，不易直接引起電離和激發(fā)， 所以中子在物質(zhì)中可以穿過很長(zhǎng)距離。 快中子的速度約為光速的 1/10， 在空氣中射程可達(dá) 300 m 。,對(duì)于中子的衰減分兩個(gè)階段： (1) 快中子的慢化， (2) 熱中子的吸收。 熱中子可以被各種物質(zhì)吸收，而快中子則往往是先使它慢化，然后再以熱中子形式把它們吸收。,伴隨快中子慢化和熱中子吸收過程，還可能發(fā)射射線， 所以在衰減中子的同時(shí)，還要注意對(duì)次級(jí)輻射的屏蔽。 由于中子與原子核間無靜電力作用，故中子極易跟核碰撞接近，,并將部分能量交給原子核，使原子核發(fā)生反沖， 而中子自身減速，并改變運(yùn)動(dòng)方向。這個(gè)反沖核可使其他原子電離。 實(shí)驗(yàn)表明，中子跟和它質(zhì)量相接近的原子核碰撞時(shí)，損失能量最多，,故中子射線最易被含氫多的物質(zhì)所吸收如水、石蠟、石墨、普通混凝土、普通土(含水10)等物質(zhì)。 使中子慢化的過程有兩種，即彈性散射和非彈性散射。 幾兆電子伏以下的快中子，主要靠與輕原子核的彈性碰撞來慢化它們。,小結(jié)： 用普通的紙或衣服就可把 粒子吸收掉。 適當(dāng)厚度的鋁可把 粒子吸收掉。 適當(dāng)厚度的鉛可吸收掉 粒子。 中子射線最易被含氫多的物質(zhì)所吸收（如水、石蠟、石墨）。,中子在輕材料中只要經(jīng)歷數(shù)十次彈性碰撞，快中子很快被慢化為熱中子，而被最后吸收掉。 幾兆電子伏以上的快中子、高能中子，主要靠與中等或重原子核的非彈性散射來慢化，,如果這些快中子在 中經(jīng)歷數(shù)次非彈性散射，使快中子能量降至1MeV左右，這些 1 MeV 中子在鐵中須經(jīng)歷數(shù)百次彈性碰撞才會(huì)成為熱中子，再被吸收掉。 可見，含氫物質(zhì)(常用水)與中等或重物質(zhì)的聯(lián)合使用是慢化高能中子的十分有效的方法。,熱中子能被所有物質(zhì)吸收，但不是任何一種物質(zhì)都能用來屏蔽熱中子，因?yàn)樵S多物質(zhì)吸收熱中子時(shí)，伴有高能輻射，所以常在屏蔽材料中加進(jìn)適量的 ，以使這兩種原子核吸收熱中子后，僅放出貫穿能力最差的粒子。,至于快中子慢化和熱中子吸收過程中產(chǎn)生的次級(jí)輻射，可用一般衰減 射線的方法來衰減它們， 而用于慢化快中子的重元素本身就起到了部分衰減次級(jí)輻射的作用。 高能中子進(jìn)入原子核內(nèi)時(shí)，能引起三種核反應(yīng)：,(1)非彈性散射 ( n , n )： 此時(shí)中子仍然從核內(nèi)發(fā)射出來，但能量減小，原子核處于激發(fā)態(tài)； (2)電荷交換反應(yīng) ( n , p )： 中子留在核內(nèi)，發(fā)射一個(gè)質(zhì)子，這相當(dāng)于原子核傳遞給中子一個(gè)正電荷，故稱為電荷交換反應(yīng)；,(3)中子俘獲反應(yīng) ( n , )： 中子存留于核內(nèi)，其結(jié)合能以 光子形式發(fā)射出去。 上述核反應(yīng)生成物，可能是穩(wěn)定核素，也可能是放射性核素。 在人體內(nèi)慢中子可引起的核反應(yīng)有：,在人體內(nèi)慢中子可引起的核反應(yīng)有： 這些