原子核物理課件楊福家第五章(2014春)

1、第5章射線與物質(zhì)相互作用u重帶電粒子與物質(zhì)相互作用重帶電粒子與物質(zhì)相互作用u 射線射線與物質(zhì)相互作用與物質(zhì)相互作用u 射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用u中子與物質(zhì)相互作用中子與物質(zhì)相互作用5.1 5.1 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用電離損失是能量損失的主要方式。電離損失是能量損失的主要方式。一、載能一、載能重帶電粒子與物質(zhì)中的能量損失重帶電粒子與物質(zhì)中的能量損失電離能量損失電離能量損失:重帶電粒子與介質(zhì)原子的核外電子間的非彈性碰撞使重帶電粒子與介質(zhì)原子的核外電子間的非彈性碰撞使原子發(fā)生激發(fā)或電離，損失能量。原子發(fā)生激發(fā)或電離，損失能量。阻止本領(lǐng)：（經(jīng)典近似）阻止本領(lǐng)

2、：（經(jīng)典近似）2024rzefrbffytfpyydvbzepy0242ze, M, ve, mfyfxr btxddv22xrb3024rbze電子動量變化電子動量變化2220422422bmezmpEeeybv一個入射帶電粒子與一個電子相碰所損失的能量（一個入射帶電粒子與一個電子相碰所損失的能量（b）一個入射帶電粒子所損失的能量一個入射帶電粒子所損失的能量dxdbbv靶核質(zhì)子數(shù)靶核質(zhì)子數(shù)Z，單位體積內(nèi)有，單位體積內(nèi)有n個靶核個靶核NEEbdxbbnZNdd2所損失的能量所損失的能量碰撞電子數(shù)碰撞電子數(shù)xbbnZEbdd2單位長度路徑上損失的能量單位長度路徑上損失的能量maxmind144d

3、d2e2042bbbbmnZezxEvminmax2e2042ln44bbmnZezv最小碰撞參數(shù)估計最小碰撞參數(shù)估計vemax2mp2e2maxmax22vmmpEe2min2e204242bmezv電子獲得最大動量電子獲得最大動量2e02min4vmzebIEmin2max2e2042min42bmezEv電子獲得的能量應(yīng)大于平均激發(fā)能電子獲得的能量應(yīng)大于平均激發(fā)能 I)2ln(42dd2e2e2042ImmnZezxEvv單位長度路徑上損失的能量單位長度路徑上損失的能量最大碰撞參數(shù)估計最大碰撞參數(shù)估計21e02max)2(4Imzebv量子理論結(jié)果（量子理論結(jié)果（Bethe，非相對論近似

4、），非相對論近似）)2ln(44dd222042ImmnZezxEeevv（1 1）與入射粒子的速度有關(guān)，與質(zhì)量無關(guān)與入射粒子的速度有關(guān)，與質(zhì)量無關(guān)（2 2）正）正比于入射粒子電荷比于入射粒子電荷數(shù)數(shù)的的平方平方（3 3）正比于正比于n nZ，即密度高、原子序數(shù)高的物質(zhì)的，即密度高、原子序數(shù)高的物質(zhì)的阻止本領(lǐng)大阻止本領(lǐng)大Bethe-Bloch公式（考慮到相對論修正）公式（考慮到相對論修正）222e2e2042)1ln()2ln(44ddImmnZezxEvv特點：特點：靶物質(zhì)每個原子的阻止截面靶物質(zhì)每個原子的阻止截面xEndd112atomcmeV單位：混合物每個分子的阻止截面混合物每個分子的

5、阻止截面（XiYj）YXji二、阻止截面二、阻止截面XXxEndd1YYxEndd1三、單位質(zhì)量厚度能量損失三、單位質(zhì)量厚度能量損失/mgMeVcm:dd2xE混合物混合物（XiYj）YYXXYXddWddWddjixExExEYXXXjMiMiMWYXYYjMiMiMW00dd/d1EExERa a粒子在空氣中的射程粒子在空氣中的射程230)285. 0005. 0(EERa a粒子在其它物質(zhì)中的射程粒子在其它物質(zhì)中的射程040102 . 3RAR四、四、重帶電粒子的射程重帶電粒子的射程五、能量損失歧離與射程歧離五、能量損失歧離與射程歧離一束單一能量帶電粒子穿過一定厚度的介質(zhì)后，透射一束單一

6、能量帶電粒子穿過一定厚度的介質(zhì)后，透射粒子的能量不在單一，呈一定的分布，稱能量岐離。粒子的能量不在單一，呈一定的分布，稱能量岐離。22)(exp1)(aaEENEN能量損失歧離能量損失歧離射程分布曲線射程分布曲線射程歧離射程歧離5.2 5.2 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、電子電離能量損失一、電子電離能量損失)11(8112ln)112()1(2ln42dd22222222e2e204IEmmnZexEionvvBethe公式公式電子與介質(zhì)原子的核外電子間的非彈性碰撞使原子發(fā)電子與介質(zhì)原子的核外電子間的非彈性碰撞使原子發(fā)生激發(fā)或電離，損失能量。生激發(fā)或電離，損失能量。二、電子輻射

7、能量損失二、電子輻射能量損失1. 軔致輻射軔致輻射22dderadmnEZxE軔致輻射能量損失與軔致輻射能量損失與Z2、n n成正比，電子束入射重元成正比，電子束入射重元素，軔致輻射嚴(yán)重素，軔致輻射嚴(yán)重。不易用重元素防護。不易用重元素防護 射線。射線。電子受原子核庫侖作用加速運動過程中輻射的電磁波。電子受原子核庫侖作用加速運動過程中輻射的電磁波。2.切倫科夫輻射切倫科夫輻射122202d)11(4ddncncexE通常不是很嚴(yán)重通常不是很嚴(yán)重電離能量損失率與輻射能量損失率的關(guān)系為：電離能量損失率與輻射能量損失率的關(guān)系為：)在相對論能區(qū)(800)()(ZEdxdEdxdEionrad三、三、射線

8、射程射線射程單能電子：外推射程。單能電子：外推射程。射線：最大射程。射線：最大射程。粒子在物質(zhì)中的吸收（粒子在物質(zhì)中的吸收（tR)tR)為線性吸收系數(shù)，也稱為線性衰減系數(shù)。為線性吸收系數(shù)，也稱為線性衰減系數(shù)。 四、電子的散射與反散射四、電子的散射與反散射電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，而不輻射能量的過程。而不輻射能量的過程。teII0對同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴(yán)重；對同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴(yán)重；對同樣能量的入射電子，原子序數(shù)越高的材料，反對同

9、樣能量的入射電子，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)重。散射越嚴(yán)重。實驗結(jié)論：實驗結(jié)論：反散射的利用與避免反散射的利用與避免1) 1) 對放射源而言，利用反散射可以提高對放射源而言，利用反散射可以提高源的產(chǎn)額。源的產(chǎn)額。給源加一個高給源加一個高Z Z厚襯底。厚襯底。2) 2) 對探測器而言，要避免反散射造成的測量偏差。對探測器而言，要避免反散射造成的測量偏差。使用低使用低Z Z材料作探測器的入射窗和探測器。材料作探測器的入射窗和探測器。 五、正電子與物質(zhì)作用五、正電子與物質(zhì)作用電子湮滅電子湮滅5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)2e275ph,)(cmh

10、vhvz2e15ph,)(cmhvhvz二、康普頓效應(yīng)二、康普頓效應(yīng))cos1(12cmhvhvvhevh hvEe總截面)212(ln2220mchvhvmcrZc2tg)1(ctg2cmhve)cos1()cos1(2ehvcmhvEe三、電子對效應(yīng)三、電子對效應(yīng)2ee2cmEEhveMeV02. 1hvhvZcmhvhvZcmhveeln:2：2略大于2p22p2光子在庫侖場的作用下轉(zhuǎn)換為正負(fù)電子對四、四、 射線的吸收射線的吸收nteII0tInIddpcphteI0n吸收系數(shù)吸收系數(shù)pcph化合物和混合物中的質(zhì)量吸收系數(shù)：化合物和混合物中的質(zhì)量吸收系數(shù)：)(iiiiW 照相CT-CT-計算機斷層掃描計算機斷層掃描teII0IIti0ln1tnieIII0人有了知識，