射線及物質(zhì)的相互作用

1、 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用第二炮兵工程大學(xué)核技術(shù)與核安全教研室第二炮兵工程大學(xué)核技術(shù)與核安全教研室 王繼虎王繼虎核武器核武器輻射輻射探測(cè)與防護(hù)探測(cè)與防護(hù)基基礎(chǔ)礎(chǔ)內(nèi)內(nèi) 容容一一、引言、引言二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 四、中子與物質(zhì)的相互作用四、中子與物質(zhì)的相互作用三三、射線與物質(zhì)的射線與物質(zhì)的相互作用相互作用 五、總結(jié)五、總結(jié)一、引一、引 言言核武器核武器v戰(zhàn)略威懾作用戰(zhàn)略威懾作用v大國大國地位象征地位象征核材料核材料v鈾、钚、氚鈾、钚、氚一、引一、引 言言核核輻射輻射v粒子、粒子、射線射線v射線、中子射線、中子一、引一、引 言言v粒子：氦核，兩個(gè)正

2、電荷粒子：氦核，兩個(gè)正電荷v射線：電子或正電子射線：電子或正電子v射線射線：光子：光子v中中 子子：不：不帶電帶電核核輻射輻射v無聲無味、無色無嗅無聲無味、無色無嗅v組織溫度無明顯升高組織溫度無明顯升高射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用輻射探測(cè)、防護(hù)的基礎(chǔ)輻射探測(cè)、防護(hù)的基礎(chǔ)射線與物質(zhì)相互作用的分類射線與物質(zhì)相互作用的分類帶電粒子輻射帶電粒子輻射非帶電粒子輻射非帶電粒子輻射輕帶電粒子輕帶電粒子（ 射線）射線）電磁輻射電磁輻射（ 射線）射線）重重帶電粒子帶電粒子（ 粒子粒子）中子中子次級(jí)電子次級(jí)電子核外核外電子電子次級(jí)重帶電粒子次級(jí)重帶電粒子原子核原子核帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物

3、質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物質(zhì)的作用，可分為：帶電粒子與物質(zhì)的作用，可分為：v與物質(zhì)與物質(zhì)原子中原子中核外電子的非彈性碰撞核外電子的非彈性碰撞過程過程v與與原子核原子核的非彈性碰撞的非彈性碰撞過程過程v與原子核與原子核的彈性碰撞的彈性碰撞v與與核外電子彈性碰撞核外電子彈性碰撞兩種兩種非彈性碰撞非彈性碰撞是主要的作用方式是主要的作用方式二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用v電離電離v激發(fā)激發(fā)2.1 2.1 與原子核外電子的與原子核外電子的非彈性碰撞非彈性碰撞 入射帶電粒子與原子的核外電子通過庫侖力作用，使入射帶電粒子與原子的

4、核外電子通過庫侖力作用，使電子獲得能量而引起原子的電子獲得能量而引起原子的電離電離或或激發(fā)激發(fā)。 電離損失電離損失二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2.2 2.2 與原子核的與原子核的非彈性碰撞非彈性碰撞 入射帶電粒子入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，與原子核之間的庫侖力作用，使帶電粒使帶電粒子子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射電磁輻射軔致輻射軔致輻射。 當(dāng)當(dāng)入射帶電粒子與原入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為其能量，我們稱它為輻射輻射損失損失。二、帶電粒子與

5、物質(zhì)的相互作用二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用v電離能量損失率電離能量損失率v輻射能量損失率輻射能量損失率2.3 2.3 能量損失率能量損失率22iondEzNZdxv222raddEz ENZdxm對(duì)于對(duì)于等重帶電粒子，電離等重帶電粒子，電離損失是主要損失是主要方式；方式；對(duì)于對(duì)于等輕帶電粒子，在高等輕帶電粒子，在高Z物質(zhì)中輻射能量物質(zhì)中輻射能量損失損失是不可忽略的。是不可忽略的。z入射入射粒子電荷數(shù)；粒子電荷數(shù)；v入射入射粒子速度粒子速度；m入射粒子質(zhì)量；入射粒子質(zhì)量；N靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；Z靶靶物質(zhì)原子的物質(zhì)原子的原子序原子序數(shù)。數(shù)。二、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、

6、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果v粒子質(zhì)量大，穿透粒子質(zhì)量大，穿透力弱，一張紙就可以力弱，一張紙就可以擋住；擋住；v射線質(zhì)量小，是射線質(zhì)量小，是粒粒子的子的1/7300，穿透力，穿透力強(qiáng)，可穿過皮膚；強(qiáng)，可穿過皮膚；與高與高Z物質(zhì)作用產(chǎn)生物質(zhì)作用產(chǎn)生較強(qiáng)的軔致輻射，所較強(qiáng)的軔致輻射，所以使用以使用低低Z物質(zhì)防護(hù)，物質(zhì)防護(hù)，如鋁。如鋁。射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用三、三、射線與物質(zhì)的射線與物質(zhì)的相互作用相互作用v光電效應(yīng)光電效應(yīng)v康普頓康普頓效應(yīng)效應(yīng)v電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)三、三、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用射線對(duì)物質(zhì)的電離射線對(duì)物質(zhì)的電離作用：作用： 射線射線第

7、1步 初級(jí)作用第2步 次級(jí)作用電離效應(yīng)電離效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)生次級(jí)電子次級(jí)電子三種作用三種作用效應(yīng)效應(yīng)次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離三、三、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3.1 3.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(Photoelectric Effect) 射線射線( (光子光子) )與原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移與原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去( (稱為光電子稱為光電子) )，而光，而光子本身消失的過程，稱為光電效應(yīng)。子本身消失的過程，稱為光電效應(yīng)。入射光子入射光子原子核原子核光光電子電子020406080100-

8、1.0-0.50.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title B三、三、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3.2 3.2 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)(Compton Effect) 射線射線(光子光子)與核外電子的非彈性碰撞過程。在作用過與核外電子的非彈性碰撞過程。在作用過程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為原子成為反沖電子反沖電子，而，而光子受到散射，運(yùn)動(dòng)光子受到散射，運(yùn)動(dòng)方向和能方向和能量都發(fā)生變化，稱為量都發(fā)生變化，稱為散射光子散射光子。入射光子入射光子h 原子核原子核反沖電子反沖電子散射光子散射光子h

9、020406080100-1.0-0.50.00.51.0Y Axis TitleX Axis Title B三、三、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3.3 3.3 電子對(duì)電子對(duì)效應(yīng)效應(yīng)(Electron Pair Effect) 能量能量較高較高(1.022MeV) 的的 射線射線(光子光子) 從從原子核旁經(jīng)過原子核旁經(jīng)過時(shí)，在核庫侖場(chǎng)的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)時(shí)，在核庫侖場(chǎng)的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電正電子子和一個(gè)和一個(gè)電子電子的過程。的過程。入射光子入射光子原子核原子核正正電子電子020406080100-1.0-0.50.00.51.0Y Axis TitleX Axis

10、 Title B電子電子3.3 3.3 作用截面作用截面 射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率率，用，用截面截面這個(gè)物理量來表示作用概率的大小。這個(gè)物理量來表示作用概率的大小。三、三、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用v光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面57 2phZEv康普頓康普頓效應(yīng)截面效應(yīng)截面 v電子對(duì)電子對(duì)效應(yīng)截面效應(yīng)截面cZ E2pZ Ev采用高Z物質(zhì)可以有效阻擋射線，例如鉛；v采用高Z物質(zhì)可提高探測(cè)效率，例如碘化鈉；v總的來說，由于射線不帶電、無靜止質(zhì)量，穿透力較強(qiáng)。射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用四四、中子、中子與與物質(zhì)的物質(zhì)

11、的相互作用相互作用v彈性碰撞彈性碰撞v非彈性碰撞非彈性碰撞v中子俘獲中子俘獲中子中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與中子與物質(zhì)物質(zhì)原子原子核核的的相互作用。相互作用。四四、中子中子與與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)的相互作用4.1 4.1 彈性散射彈性散射出射粒子仍為出射粒子仍為中子中子、剩余核仍、剩余核仍為原有為原有原子核原子核。中子與物質(zhì)中原子核碰撞時(shí)把部分能量傳給原子中子與物質(zhì)中原子核碰撞時(shí)把部分能量傳給原子核，核，帶有能量的原子核脫出原子帶有能量的原子核脫出原子,此原子核稱反沖此原子核稱反沖核，而中子本身帶著較低能量改變運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)核，而中子本身帶著較低能量改變運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)行

12、進(jìn)成中子散射，行進(jìn)成中子散射，這種現(xiàn)象稱彈性碰撞。帶電荷這種現(xiàn)象稱彈性碰撞。帶電荷的反沖核獲得能量后，在其運(yùn)動(dòng)途中可引起物質(zhì)的反沖核獲得能量后，在其運(yùn)動(dòng)途中可引起物質(zhì)電離和激發(fā)。電離和激發(fā)。四四、中子中子與與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)的相互作用4.2 4.2 非彈性散射非彈性散射入射入射中子的能量損失不僅中子的能量損失不僅使原子核使原子核得到得到反沖反沖，且且使原子核處于使原子核處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。中子入射到物質(zhì)中子入射到物質(zhì)原子核內(nèi)原子核內(nèi)，部分，部分能量傳給原子能量傳給原子核，使核處于激發(fā)態(tài)，中子帶著剩余的能量從核，使核處于激發(fā)態(tài)，中子帶著剩余的能量從核內(nèi)飛出，激發(fā)態(tài)核內(nèi)飛出，激發(fā)態(tài)核放出核放出 光

13、子損失能量，原子光子損失能量，原子核核回到基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為非彈性碰撞?；氐交鶓B(tài)，這種現(xiàn)象稱為非彈性碰撞。四四、中子中子與與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)的相互作用4.3 4.3 中子俘獲中子俘獲中子中子俘獲包括俘獲包括(n,),(n,f),(n,)(n,p)四種類型四種類型反應(yīng)。反應(yīng)。 中子中子被物質(zhì)原子核俘獲后，形成穩(wěn)定或不穩(wěn)定被物質(zhì)原子核俘獲后，形成穩(wěn)定或不穩(wěn)定的新核素，這種現(xiàn)象稱中子俘獲。的新核素，這種現(xiàn)象稱中子俘獲。1017503BnLi313201HenTp三氟化硼正比管三氟化硼正比管氦氦-3-3計(jì)數(shù)管計(jì)數(shù)管四四、中子中子與與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)的相互作用4.4 4.4 中子的危害中子的危害v彈性碰撞彈性碰撞14114706NnCp111010nHnpv核反應(yīng)核反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子引起物質(zhì)的電離，人體中有大量的H和N原子，中子對(duì)人電離效應(yīng)嚴(yán)重，傷害嚴(yán)重。 探測(cè)使用含氫物質(zhì)，如含氫正比管、有機(jī)閃爍體等；防護(hù)使用含氫物質(zhì)，如聚乙烯、石蠟、水等。輻輻 射射作用過程作用過程與束縛電子發(fā)生非彈性碰撞與束縛電子發(fā)生非彈性碰撞1 1、與核外電子發(fā)生非彈性碰撞、與核外電子發(fā)生非彈性碰撞2 2、與原子核發(fā)生非彈性碰撞、與原子核發(fā)生非彈性碰撞1 1、光電效應(yīng)光電效應(yīng)2 2、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)