第2章射線與物質(zhì)相互作用

1、成都理工大學(xué)核自院成都理工大學(xué)核自院主講教師主講教師: 楊 佳l 本課程的理論學(xué)時(shí)本課程的理論學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括：學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括：2.1 概述概述2.2 粒子與物質(zhì)的相互作用粒子與物質(zhì)的相互作用2.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2.4 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2.5 射線在物質(zhì)中的衰減射線在物質(zhì)中的衰減2.6 中子與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用p 入射入射帶電帶電粒子粒子在靶物質(zhì)中在靶物質(zhì)中的的慢化慢化過(guò)程過(guò)程： 具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子發(fā)生相互作用。發(fā)生相互

2、作用。 這些相互作用是入射帶電粒子所帶這些相互作用是入射帶電粒子所帶電荷電荷與原子中與原子中核外電子核外電子、原子核原子核發(fā)生的發(fā)生的庫(kù)侖相互作用庫(kù)侖相互作用。 這些相互作用這些相互作用引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損失失，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電粒子粒子在相互作用過(guò)程中逐漸慢化在相互作用過(guò)程中逐漸慢化。 當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過(guò)原子核的庫(kù)侖位壘，并與原當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過(guò)原子核的庫(kù)侖位壘，并與原子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論發(fā)生核反應(yīng)的情況。子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論

3、發(fā)生核反應(yīng)的情況。| 載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：p 作用對(duì)象：作用對(duì)象： 原子（核外電子）；原子（核外電子）； 原子核原子核p 作用方式：作用方式： 載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過(guò)程慢化過(guò)程，可分為，可分為四種四種，其，其中前兩種是主要的：中前兩種是主要的：(1) 電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過(guò)程非彈性碰撞過(guò)程(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過(guò)程輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過(guò)程(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電

4、粒子與靶原子核的彈性碰撞(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞p 電離過(guò)程：電離過(guò)程： 如果傳遞給電子的能量足以使電如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子核的束縛，則電子將脫離子克服原子核的束縛，則電子將脫離原子，成為原子，成為自由電子自由電子。 而原子因失去了一個(gè)電子，而成而原子因失去了一個(gè)電子，而成為為正離子正離子。 原子最外層的電子受原子核的束原子最外層的電子受原子核的束縛最弱，縛最弱，最容易發(fā)生在最外層電子最容易發(fā)生在最外層電子。 若發(fā)射出來(lái)的電子有足夠的動(dòng)能，可若發(fā)射出來(lái)的電子有足夠的動(dòng)能，可進(jìn)一步使其它原子發(fā)生進(jìn)一步使其它原子發(fā)生電離作用電

5、離作用。這些高速電子被稱為。這些高速電子被稱為電子電子。 內(nèi)殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層內(nèi)殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出特征躍遷，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。射線或俄歇電子。p 激發(fā)過(guò)程：激發(fā)過(guò)程： 如果入射粒子如果入射粒子傳遞給電子的能量較少傳遞給電子的能量較少，不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由電子，但可以電子，但可以使原子從低能態(tài)躍遷到相對(duì)使原子從低能態(tài)躍遷到相對(duì)高能級(jí)狀態(tài)高能級(jí)狀態(tài)，這種過(guò)程叫激發(fā)。，這種過(guò)程叫激發(fā)。 處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬間將由高能態(tài)躍

6、遷回基態(tài)（退激）。退間將由高能態(tài)躍遷回基態(tài)（退激）。退激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。 帶電粒子帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子的非核外電子的非彈性碰撞彈性碰撞，導(dǎo)致原子的，導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)電離或激發(fā)，是，是帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方式式把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量引起的能量損失損失稱為稱為電離損失電離損失。 當(dāng)當(dāng)入射帶電粒子入射帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子核外電子發(fā)生發(fā)生非彈性非彈性碰撞碰撞，以使靶物質(zhì)原子，以使靶物質(zhì)原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)的方式而的方式而損失入射損失入射粒子的能量粒

7、子的能量把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量損失引起的能量損失稱為稱為電離損失電離損失。載載能能入入射射帶帶電電粒粒子子靶物質(zhì)（原子）靶物質(zhì)（原子）核核庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用 入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，它與原子核時(shí)，它與原子核之間的庫(kù)原子核之間的庫(kù)侖力作用侖力作用，使入射粒子受到吸引，使入射粒子受到吸引或排斥，從而改變?nèi)肷淞Ｗ拥幕蚺懦猓瑥亩淖內(nèi)肷淞Ｗ拥乃偎俣群瓦\(yùn)動(dòng)方向度和運(yùn)動(dòng)方向。 當(dāng)當(dāng)入射帶電粒子入射帶電粒子與與原子核原子核發(fā)生發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞時(shí)，以時(shí)，以輻射光子輻射光子損失其能量，我們稱它為損失其能量，我們稱它為輻射損失輻射損失。 入射粒子這種

8、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射入射粒子這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射軔軔致輻射致輻射(bremsstrahlung)。 粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，對(duì)對(duì)粒子粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻輻射損失是其重要的一種能量損失方式射損失是其重要的一種能量損失方式。 帶電粒子帶電粒子與與靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而發(fā)生作用而發(fā)生彈性散射彈性散射。 彈性碰撞過(guò)程中彈性碰撞過(guò)程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)

9、量守恒，量守恒，入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖。碰撞后，。碰撞后，絕大絕大部分能量部分能量仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。核核庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用反沖反沖 彈性散射過(guò)程中，入射粒子和原子核的彈性散射過(guò)程中，入射粒子和原子核的總動(dòng)能不變總動(dòng)能不變，即入射，即入射粒子粒子既不既不輻射光子，輻射光子，也不也不激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變運(yùn)動(dòng)方向改變。 這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞彈性碰撞引起引起入射粒子入射粒子的能量損失

10、的能量損失稱之為稱之為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，我們把原子核對(duì)入射粒子的，我們把原子核對(duì)入射粒子的阻止作用稱為阻止作用稱為核阻止核阻止。 核碰撞能量損失核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子只是在入射帶電粒子能量很低能量很低或或低速重離子低速重離子入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起反散射的主要過(guò)程。反散射的主要過(guò)程。 粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量小，粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體

11、原子位移，形成缺陷，即造成位移，形成缺陷，即造成物質(zhì)輻射損傷物質(zhì)輻射損傷。 受受核外電子核外電子的庫(kù)侖力作用，入射的庫(kù)侖力作用，入射粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為滿足能量滿足能量和動(dòng)量守恒和動(dòng)量守恒，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)能，但這種能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很小能量的轉(zhuǎn)移很小，比比原子原子中電子的中電子的最低激發(fā)能還小最低激發(fā)能還小，電子的能，電子的能量狀態(tài)沒(méi)有變化，在此過(guò)程中不發(fā)射量狀態(tài)沒(méi)有變化，在此過(guò)程中不發(fā)射輻射。輻射。 這種相互作用方式只是在極低能量這種相互作用方式只是在極低能量(90)，稱為反散射，稱為反散射。從實(shí)驗(yàn)曲線看出：從實(shí)驗(yàn)曲線看出： 對(duì)對(duì)同種

12、材料同種材料，入射，入射粒粒子子(電子電子)能量越低能量越低，反散射反散射越嚴(yán)重越嚴(yán)重；對(duì)；對(duì)同樣能量同樣能量的入的入射射粒子粒子(電子電子)，原子序數(shù)原子序數(shù)越高越高的材料，的材料，反散射反散射越嚴(yán)越嚴(yán)重重。 對(duì)低能對(duì)低能粒子粒子(電子電子)在高在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達(dá)反散射系數(shù)可達(dá)50。 反散射系數(shù)反散射系數(shù)：00III I0源發(fā)出源發(fā)出射線強(qiáng)度的初始值；射線強(qiáng)度的初始值；I未發(fā)生反散射的未發(fā)生反散射的射線強(qiáng)度。射線強(qiáng)度。p 粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡： 粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過(guò)物粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過(guò)物質(zhì)的厚度大很多，一般是質(zhì)的厚度大很多

13、，一般是1.54倍。倍。 由于由于粒子受到軌道電子或原子核粒子受到軌道電子或原子核的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此，的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此， 粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線，不是一條直線，而是而是一條不規(guī)則的折線一條不規(guī)則的折線。 粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折曲折的。的。粒子的粒子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。粒子的粒子的射程比路程小得多射程比路程小得多。 特征：特征：（二）電離與激發(fā)（二）電離與激發(fā) 粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的2030；次級(jí)電離約占；次級(jí)電離約占7080。根據(jù)電子。根據(jù)電子(粒子粒子)電離能量損失率的電

14、離能量損失率的Bethe公式有：公式有：222222220204)11 (81)1 ()112ln()1 (2ln2IEvmvmNZedXdEionm0，e電子的靜止質(zhì)量與電荷；電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v電子的電荷數(shù)與速度；電子的電荷數(shù)與速度； v /c，c光速；光速；Z介質(zhì)的原子序數(shù)；介質(zhì)的原子序數(shù)；N介質(zhì)單位體積（介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目?jī)?nèi)的原子數(shù)目；I吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E入射電子動(dòng)能；入射電子動(dòng)能；（三）韌致輻射（三）韌致輻射p 輻射能量損失：輻射能量損失： 帶電粒子帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核原子核的的庫(kù)侖作用庫(kù)侖作

15、用(與原子核的非彈與原子核的非彈性碰撞過(guò)程性碰撞過(guò)程)，其，其速度速度和和運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化發(fā)生變化，會(huì)伴隨發(fā)射，會(huì)伴隨發(fā)射電磁波電磁波，即，即軔致輻射軔致輻射。 韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是連續(xù)能量的連續(xù)能量的X射線射線，其能量與，其能量與入射帶電粒子動(dòng)能入射帶電粒子動(dòng)能處于同一數(shù)量級(jí)處于同一數(shù)量級(jí)。原子核原子核 入射粒子為入射粒子為單能單能粒子粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的能量；粒子的能量； 入射粒子為入射粒子為粒子粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的平均能量；粒子的平均能量；p

16、 輻射能量損失率輻射能量損失率 ： 單位路徑上單位路徑上，由于軔致輻射由于軔致輻射而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)中損失的能量。中損失的能量。radraddxdES量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：| 討論：討論：222NZmEzdxdESradrad21mSrad ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量m的的平方成反平方成反比比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。即：。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。即：電子的輻射損失比電子的輻射損失比粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。ESrad ：輻射損失率輻射損失率與與

17、帶電粒子帶電粒子的的能量能量E成正比成正比。即輻射。即輻射損失率損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加隨粒子動(dòng)能的增加而增加。2NZSrad ：輻射損失率輻射損失率與與吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)的的NZ2成正比成正比。所以當(dāng)。所以當(dāng)吸收材料吸收材料原子序數(shù)大原子序數(shù)大、密度大密度大時(shí)，時(shí)，輻射損失大輻射損失大。 因此因此高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射，從而常用，從而常用較低原子序數(shù)的介質(zhì)（輕介質(zhì)）去屏蔽較低原子序數(shù)的介質(zhì)（輕介質(zhì)）去屏蔽韌致輻射射線韌致輻射射線。當(dāng)要當(dāng)要吸收、屏蔽吸收、屏蔽射線射線時(shí)，時(shí)，不宜選用重材料不宜選用重材料。當(dāng)要當(dāng)要獲得強(qiáng)的獲得強(qiáng)的X射線射線時(shí)，

18、則應(yīng)時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶物質(zhì)選用重材料作靶物質(zhì)。342ln41371202204CmECmeZNEZdXdErad對(duì)電子對(duì)電子，其，其輻射能量損失率輻射能量損失率為：為： 探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量E 一般一般不超過(guò)幾個(gè)不超過(guò)幾個(gè)MeV，所以，所以，輻射能量損失輻射能量損失只有在只有在高原子序數(shù)高原子序數(shù)(大大Z)的的吸收材料吸收材料中才中才是重要的。是重要的。電子的兩種能量損失率之比：電子的兩種能量損失率之比：E入射電子的能量入射電子的能量800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數(shù)吸收材料的原子序數(shù)n 當(dāng)當(dāng)粒子能量為粒子能

19、量為10MeV，Z82(Pb)，電離能量損失率與輻，電離能量損失率與輻射能量損失率近似相等。射能量損失率近似相等。n 天然放射性元素發(fā)生天然放射性元素發(fā)生衰變放出的衰變放出的粒子，其能量一般小于粒子，其能量一般小于3MeV： 與一般巖石與一般巖石(Z較小較小)等作用等作用時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)；時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)； 但當(dāng)?shù)?dāng)粒子粒子通過(guò)介質(zhì)的原子序數(shù)較高通過(guò)介質(zhì)的原子序數(shù)較高時(shí)，韌致輻射損耗仍時(shí)，韌致輻射損耗仍占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。7 .3380017. 382ionraddXdEdXdEPb580017. 313ionraddXdEdXdEA

20、l 例：例：214Bi的的粒子粒子(E=3.17MeV)通過(guò)鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：通過(guò)鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：E入射電子的能量入射電子的能量800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數(shù)吸收材料的原子序數(shù) 當(dāng)當(dāng)粒子能量為粒子能量為3MeV時(shí)，它打到鉛室上會(huì)時(shí)，它打到鉛室上會(huì)產(chǎn)生韌致輻射產(chǎn)生韌致輻射射線射線，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。 在在測(cè)置裝置的測(cè)置裝置的鉛室內(nèi)壁鉛室內(nèi)壁，往往，往往襯上一層輕物質(zhì)屏襯上一層輕物質(zhì)屏（如（如鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以減少散射射線和韌致輻射射線減少散射射線和韌致輻射射線。引起的問(wèn)題：引起的問(wèn)題：解決方案：解決方案：

21、韌致輻射射線也被用來(lái)作為低能韌致輻射射線也被用來(lái)作為低能X射線源：射線源： 軔致輻射釋放的軔致輻射釋放的X射線，可作為射線，可作為X射線源，用于射線源，用于X射線熒光射線熒光分析，也可用于分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。 如：氚如：氚(T)是是輻射體，其輻射體，其粒子最大能量為粒子最大能量為18KeV，T發(fā)射發(fā)射粒粒子打在鈦靶或鋯靶上，可產(chǎn)生子打在鈦靶或鋯靶上，可產(chǎn)生nn10KeV的的X射線。常把這一射線。常把這一X射線用作較低能量的射線用作較低能量的X射線熒光分析的射線源。射線熒光分析的射線源。（四）線阻止本領(lǐng)（四）線阻止本領(lǐng)

22、S 在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子）在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子） ，帶電粒，帶電粒子主要的能量損失方式是子主要的能量損失方式是碰撞電離損失碰撞電離損失和和軔致輻射損失軔致輻射損失?？偟目偟木€阻止本領(lǐng)線阻止本領(lǐng) S 為：為：radiondXdEdXdES總的總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)質(zhì)量阻止本領(lǐng) S/ 為：為：radiondXdEdXdES11單位：?jiǎn)挝唬篔 m2 kg-1靶物質(zhì)的密度靶物質(zhì)的密度（五）正電子（五）正電子（ + +粒子粒子）的湮沒(méi)）的湮沒(méi) 正電子正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制和和電子相同電子相同。電子。電子與物質(zhì)相互作用的與物

23、質(zhì)相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過(guò)程全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過(guò)程。p 正電子的特點(diǎn)：正電子的特點(diǎn)： 高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化慢化，然后在正電子徑跡的，然后在正電子徑跡的末末端端與介質(zhì)中的電子發(fā)生與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi)湮沒(méi)，放出放出 光子光子。 或者，它與一個(gè)電子結(jié)或者，它與一個(gè)電子結(jié)合成合成正電子素，即電子正電子素，即電子正電子對(duì)的束縛態(tài)正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再，然后再湮沒(méi)湮沒(méi)，放出放出 光子光子。p 湮沒(méi)輻射：正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為湮沒(méi)輻射：正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為湮沒(méi)輻射湮沒(méi)輻射。p 湮沒(méi)光子：正電子湮沒(méi)時(shí)放出的光子稱為

24、湮沒(méi)光子：正電子湮沒(méi)時(shí)放出的光子稱為湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子。 由能量守恒和動(dòng)量守恒可得：兩個(gè)由能量守恒和動(dòng)量守恒可得：兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的能量相同能量相同，各等，各等于于0.511MeV。MeVcmhhe511. 0221而兩個(gè)而兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的發(fā)射方向相反發(fā)射方向相反，且發(fā)射是，且發(fā)射是各向同性各向同性的。的。正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)滅，產(chǎn)生兩個(gè) 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率 (100 %） （一）（一

25、）射線被物質(zhì)吸收射線被物質(zhì)吸收maxR 研究表明，對(duì)研究表明，對(duì)射線射線，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度d遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于 時(shí)，時(shí)，射線的射線的吸收衰減曲線吸收衰減曲線近似服從近似服從指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律： 對(duì)于天然核素放出的對(duì)于天然核素放出的射線，在物質(zhì)中的衰減近似遵從指數(shù)射線，在物質(zhì)中的衰減近似遵從指數(shù)衰減規(guī)律。衰減規(guī)律?；蚧騧mdmeIdI0)( m吸收體的吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：?jiǎn)挝唬篶m2/g)；dm吸收體的吸收體的質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度(單位：?jiǎn)挝唬篻/cm2)；/m ddmdeIdI0)( 吸收體的吸收體的線衰減線衰減(或線吸收或線吸收)系數(shù)系數(shù)(單位：?jiǎn)挝唬篶m-1)；d

26、吸收體的吸收體的厚度厚度(單位：?jiǎn)挝唬篶m)；I0入射入射射線射線的的強(qiáng)度；強(qiáng)度；n 半吸收厚度（半衰減層厚度）半吸收厚度（半衰減層厚度）：射線在物質(zhì)中的強(qiáng)度衰減到一半所經(jīng)過(guò)的厚度。射線在物質(zhì)中的強(qiáng)度衰減到一半所經(jīng)過(guò)的厚度。20II deIdI0)(2121den 射程射程R： 射線經(jīng)過(guò)射線經(jīng)過(guò)10倍半吸收厚度，強(qiáng)度減少為初始值的倍半吸收厚度，強(qiáng)度減少為初始值的1/1024。小。小于于1/1000，可近似認(rèn)為，可近似認(rèn)為射線已被介質(zhì)完全吸收。故將射線已被介質(zhì)完全吸收。故將10倍半吸收倍半吸收厚度定義為厚度定義為射線的射程射線的射程。2121nd (單位：?jiǎn)挝唬篶m)同理有，質(zhì)量厚度：同理有，質(zhì)

27、量厚度：mmnd2121(單位：?jiǎn)挝唬篻/cm2)21101021ndR(單位：?jiǎn)挝唬篶m)(單位：?jiǎn)挝唬篻/cm2)mmmndR21101021n 射線的射程計(jì)算：射線的射程計(jì)算： 對(duì)于具有連續(xù)能譜的對(duì)于具有連續(xù)能譜的粒子，吸收曲線的大部分可用以下粒子，吸收曲線的大部分可用以下指數(shù)函數(shù)描述：指數(shù)函數(shù)描述：)41 . 0(MeVEMeVm14. 17 . 1mmEmmdmeIdI0)( m吸收體的吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：?jiǎn)挝唬篶m2/g)；dm吸收體的吸收體的質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度(單位：?jiǎn)挝唬篻/cm2)； 質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)與與粒子最大能量粒子最大能量Em(以以MeV為單位

28、為單位)之間之間有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： (單位：?jiǎn)挝唬篻/cm2)mmmndR21101021射線的射程：射線的射程：（二）放射層中（二）放射層中射線的自吸收射線的自吸收p 放射層的自吸收放射層的自吸收： 當(dāng)當(dāng)輻射層（輻射層（射線放射層）具有一定厚度時(shí)，層中某一點(diǎn)的射線放射層）具有一定厚度時(shí)，層中某一點(diǎn)的射線穿過(guò)放射層時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生吸收作用（被衰減），稱為放射射線穿過(guò)放射層時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生吸收作用（被衰減），稱為放射層的自吸收作用。層的自吸收作用。p 射線強(qiáng)度與放射層厚度的關(guān)系：射線強(qiáng)度與放射層厚度的關(guān)系： 由于自吸收作用，射線的強(qiáng)度不會(huì)隨放射層厚度的增加而由于自吸收作用，射線的強(qiáng)度不

29、會(huì)隨放射層厚度的增加而線線性性增長(zhǎng)。對(duì)增長(zhǎng)。對(duì)射線來(lái)說(shuō)，存在以下關(guān)系（推導(dǎo)略）：射線來(lái)說(shuō)，存在以下關(guān)系（推導(dǎo)略）：I/Ih)1 (heIIh放射層厚度；放射層厚度； 放射層的自吸收系數(shù)；放射層的自吸收系數(shù)；I射線射線飽和層的飽和層的射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度；1.0 當(dāng)放射層較薄時(shí)，當(dāng)放射層較薄時(shí)， 射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度隨厚度增加而線性增大。隨厚度增加而線性增大。n 分析：分析： 當(dāng)放射層有一定厚度時(shí)，當(dāng)放射層有一定厚度時(shí)，射射線強(qiáng)度增加較緩慢。線強(qiáng)度增加較緩慢。n 應(yīng)用：應(yīng)用： 從從天然放射性礦石的實(shí)驗(yàn)結(jié)果天然放射性礦石的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，來(lái)看，射線飽和層厚度射線飽和層厚度不太大，不太大，在數(shù)值上等于被測(cè)對(duì)象

30、中能量最大的在數(shù)值上等于被測(cè)對(duì)象中能量最大的射線的射程射線的射程。I/Ih1.0 當(dāng)放射層當(dāng)放射層增加到某一厚度增加到某一厚度時(shí)，時(shí)，射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度不再隨厚度增不再隨厚度增加而增加加而增加，這個(gè)厚度稱為，這個(gè)厚度稱為射線的飽和層厚度射線的飽和層厚度。 查表可知：查表可知：鈾系中鈾系中射線射線最大能量為最大能量為3.17MeV(輻射體為輻射體為214Bi)，射程為射程為1.54g/cm2(以質(zhì)量厚度以質(zhì)量厚度dm表示射程表示射程)。 當(dāng)?shù)V石粉末密度為當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，時(shí)，射線飽和層厚度射線飽和層厚度d為：為： 查表可知：查表可知：釷系中釷系中射線射線最大能量為最大能量為2.

31、25MeV (輻射體為輻射體為212Bi) ，射程為射程為1.02g/cm2 (以質(zhì)量厚度以質(zhì)量厚度dm表示射程表示射程) 。 當(dāng)?shù)V石粉末密度為當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，時(shí)，射線飽和層厚度射線飽和層厚度d為：為：cmcmgcmgddm1/54. 1/54. 132 ddmcmcmgcmgddm66. 0/54. 1/02. 132 ddm 射線、韌致輻射、湮沒(méi)輻射和特征射線、韌致輻射、湮沒(méi)輻射和特征X射線射線等，雖然它們的等，雖然它們的起源不一、能量大小不等，但起源不一、能量大小不等，但都屬于電磁輻射都屬于電磁輻射。 電磁輻射譜電磁輻射譜E=h , =c / 小小能量高能量高 大大

32、能量低能量低能量能量 E = h 動(dòng)量動(dòng)量 p = h / c射線是波長(zhǎng)很短能量高的電磁輻射射線是波長(zhǎng)很短能量高的電磁輻射 （ 10-11 米，米，keV，MeV），），來(lái)自原子核來(lái)自原子核衰變衰變, 不帶電，不帶電， 靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量 0 。 射線具有波、粒二象性，因此射線具有波、粒二象性，因此也被稱為也被稱為 光子；光子； 光子在物質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)。光子在物質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)。p 幾種電磁輻射的區(qū)別：幾種電磁輻射的區(qū)別：射線對(duì)物質(zhì)的間接電離作用射線對(duì)物質(zhì)的間接電離作用 兩步過(guò)程兩步過(guò)程產(chǎn)生載能產(chǎn)生載能次級(jí)電子次級(jí)電子次級(jí)電子使次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離物質(zhì)原子電離第第 1 1 步步第第 2

33、2 步步三種相互作用方式：三種相互作用方式：光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 射線與射線與物質(zhì)原子作用物質(zhì)原子作用射線射線自由電子自由電子原子原子受激原子受激原子 光子與原子相碰撞時(shí)，光子把光子與原子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給原子，殼層中某一全部能量傳遞給原子，殼層中某一個(gè)內(nèi)層電子獲得動(dòng)能，克服原子束個(gè)內(nèi)層電子獲得動(dòng)能，克服原子束縛成為自由電子，而光子本身消失，縛成為自由電子，而光子本身消失，這種過(guò)程稱為這種過(guò)程稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中發(fā)射出來(lái)的電子叫中發(fā)射出來(lái)的電子叫光電子光電子。1、發(fā)生光電效應(yīng)的條件、發(fā)生光電效應(yīng)的條件入射入射 光子的光子

34、的全部能量轉(zhuǎn)全部能量轉(zhuǎn)移給靶原子移給靶原子 其中其中一部分能量一部分能量用于使殼層電子脫離原子核用于使殼層電子脫離原子核束縛所需的束縛所需的電離能電離能(電子在原子中的結(jié)合能電子在原子中的結(jié)合能)另一部分能量另一部分能量轉(zhuǎn)化為出射光電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為出射光電子的動(dòng)能還有還有一小部分一小部分能量能量用于靶原子核反沖用于靶原子核反沖(才能才能滿足動(dòng)量守恒，這部分能量很小，可忽略滿足動(dòng)量守恒，這部分能量很小，可忽略) 發(fā)生光電效應(yīng)的條件：發(fā)生光電效應(yīng)的條件：(入射入射 光子的能量必須光子的能量必須大于殼層電子的結(jié)合能大于殼層電子的結(jié)合能) iBE 如果如果忽略原子核獲得的反沖能忽略原子核獲得的反沖能，

35、根據(jù)，根據(jù)能量守恒原理能量守恒原理，光電子光電子的動(dòng)能等于入射的動(dòng)能等于入射 光子的能量與電子的電離能之差光子的能量與電子的電離能之差。 光電子的動(dòng)能：光電子的動(dòng)能：ieBhE 其中：其中： 光電子的動(dòng)能；光電子的動(dòng)能； 入射光子的能量；入射光子的能量； 原子的第原子的第i殼層電子的電離能。殼層電子的電離能。eEhiB2、 光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng) 在光電效應(yīng)過(guò)程中，除入射光子和光電子外，在光電效應(yīng)過(guò)程中，除入射光子和光電子外，還需要有一個(gè)還需要有一個(gè)第三者參加第三者參加，可認(rèn)為是原子核可認(rèn)為是原子核，嚴(yán)格來(lái)講是發(fā)射光電子之后剩余嚴(yán)格來(lái)講是發(fā)射光電子之后剩余

36、下來(lái)的整個(gè)原子下來(lái)的整個(gè)原子(它帶走一些反沖能量，但這能量很小它帶走一些反沖能量，但這能量很小)。根據(jù)動(dòng)量守恒要求根據(jù)動(dòng)量守恒要求n 推論推論： 光子光子只能與原子的束縛電子只能與原子的束縛電子（實(shí)際是整個(gè)原子）（實(shí)際是整個(gè)原子）發(fā)生光電效應(yīng)，發(fā)生光電效應(yīng)，而不能與自由電子發(fā)生光電效應(yīng)而不能與自由電子發(fā)生光電效應(yīng)。3、各殼層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率之比、各殼層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率之比 理論上理論上靶原子各殼層的電子都可以吸收光子能量而發(fā)射靶原子各殼層的電子都可以吸收光子能量而發(fā)射出來(lái)成為光電子，出來(lái)成為光電子， 所以，所以，K層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大：80%；L層次

37、之層次之、M層更小層更小。 但但電子在原子中束縛得越緊電子在原子中束縛得越緊，就，就越容易使原子核參加越容易使原子核參加相互作用過(guò)程相互作用過(guò)程， 發(fā)生光電效應(yīng)的幾率就越大發(fā)生光電效應(yīng)的幾率就越大。K：L：M100：10：14、原子的退激、原子的退激 發(fā)射光電子后，靶原子由于發(fā)射光電子后，靶原子由于內(nèi)內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)狀態(tài)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)狀態(tài)。這種激發(fā)狀態(tài)是這種激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定不穩(wěn)定的，靶原子的，靶原子可以可以通過(guò)兩種方式退激通過(guò)兩種方式退激：入射入射射線光電子特征射線光電子特征X X射線射線發(fā)射特征發(fā)射特征X射線射線： 外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子恢復(fù)到較低外

38、層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子恢復(fù)到較低的能量狀態(tài)。躍遷過(guò)程中，的能量狀態(tài)。躍遷過(guò)程中，以特征以特征X射線的形式釋放出電磁輻射，射線的形式釋放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差。)11()(22212nnaZRhcEnX 式中：式中：h普朗克常數(shù)；普朗克常數(shù)；c光速；光速；Z原子序數(shù)；原子序數(shù)； n1，n2殼層電子躍遷前后所處殼層的主量子數(shù)；殼層電子躍遷前后所處殼層的主量子數(shù)；an正數(shù)，與內(nèi)殼層的正數(shù)，與內(nèi)殼層的電子數(shù)目有關(guān)；電子數(shù)目有關(guān)；R里德伯常數(shù)。里德伯常數(shù)。（莫塞萊定律）（莫塞萊定律）n 從上式可以看出：從上式可以看出：2ZEXXE

39、（ 與原子序數(shù)的平方成正比）與原子序數(shù)的平方成正比） 外層電子躍遷過(guò)程中釋放的電磁輻射是一種外層電子躍遷過(guò)程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由于射線。由于其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來(lái)說(shuō)，都是特征的，其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來(lái)說(shuō)，都是特征的，故稱其為故稱其為“特征特征X射線射線”。 每個(gè)元素所發(fā)射的特征每個(gè)元素所發(fā)射的特征X射線能量是特定的；反之，根據(jù)射線能量是特定的；反之，根據(jù)K系、系、L系的特征系的特征X射線能量，可用來(lái)探測(cè)某個(gè)元素的存在。射線能量，可用來(lái)探測(cè)某個(gè)元素的存在。 特征特征X射線強(qiáng)度的高低，表明某介質(zhì)中存在該元素含量的高射線強(qiáng)度的高低，表明某介質(zhì)中存在該元

40、素含量的高低，這就是低，這就是X射線熒光分析的理論依據(jù)。射線熒光分析的理論依據(jù)。發(fā)射俄歇電子發(fā)射俄歇電子： 殼層電子在殼層電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征X射線射線，而是，而是將激發(fā)能交給外殼層的一個(gè)電將激發(fā)能交給外殼層的一個(gè)電子，使它從原子中發(fā)射出來(lái)子，使它從原子中發(fā)射出來(lái)。這個(gè)電子稱。這個(gè)電子稱為為俄歇電子俄歇電子。俄歇電子俄歇電子俄歇電子俄歇電子 如果在如果在L層電子向?qū)与娮酉騅層電子躍遷中不發(fā)層電子躍遷中不發(fā)射特征射特征X射線，則所發(fā)射的俄歇電子的能射線，則所發(fā)射的俄歇電子的能量等于：量等于：LKLLKBBBBBE2俄歇式中：式中：E俄歇俄歇俄歇電子的能量；俄歇電子的能量

41、； BK、BL靶原子靶原子K層與層與L層的結(jié)合能。層的結(jié)合能。5、光電子的能量、光電子的能量 如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫出光電子的動(dòng)能為：以寫出光電子的動(dòng)能為：ieBhE 其中：其中： 光電子的動(dòng)能；光電子的動(dòng)能； 入射光子的能量；入射光子的能量； 原子的第原子的第i殼層電子的電離能。殼層電子的電離能。eEhiB 對(duì)于原子序數(shù)為對(duì)于原子序數(shù)為Z的原子，其各殼層的電子的結(jié)合能可以的原子，其各殼層的電子的結(jié)合能可以用以下的近似公式計(jì)算：用以下的近似公式計(jì)算：222)13(91)5(41) 1(ZRBMZRBLZRBKMLK層

42、：層：層： 以能量為單位的里德以能量為單位的里德伯常數(shù)：伯常數(shù)： R=2.17910-18J =13.6eV 可見(jiàn)：電子的結(jié)合能可見(jiàn)：電子的結(jié)合能Bi與原子序數(shù)與原子序數(shù)Z和殼層的層次都有關(guān)。和殼層的層次都有關(guān)。由于由于光子能量一般為光子能量一般為MeV級(jí)，遠(yuǎn)大于殼層級(jí)，遠(yuǎn)大于殼層電子結(jié)合能，如：電子結(jié)合能，如：I的的BK=33keV。ieBhE對(duì)于對(duì)于hBi通常通常hEe所以：所以：6、光電效應(yīng)截面、光電效應(yīng)截面 原子原子的光電截面：的光電截面：n 含義：一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電含義：一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率。效應(yīng)的幾率。n 相關(guān)因素：光電效應(yīng)截

43、面與相關(guān)因素：光電效應(yīng)截面與入射光子能量入射光子能量和和靶物質(zhì)原子靶物質(zhì)原子序數(shù)序數(shù)有關(guān)。有關(guān)。Kph45ph為原子與入射光子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；為原子與入射光子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；K為入射光子在為入射光子在K層層發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；5 . 35hZK15hZK20CmhBK在在非相對(duì)論情況非相對(duì)論情況下，即：下，即：20Cmh在在相對(duì)論情況相對(duì)論情況下，即：下，即：其中：其中：當(dāng)當(dāng)靶物質(zhì)為復(fù)雜物質(zhì)靶物質(zhì)為復(fù)雜物質(zhì)時(shí)，式中時(shí)，式中Z應(yīng)為有效原子序數(shù)：應(yīng)為有效原子序數(shù)：nminiiZCZ11有效式中式中n在在2.24間選擇間選擇可見(jiàn)：光電效應(yīng)可見(jiàn)：光電效應(yīng)主要發(fā)生在主要發(fā)生在

44、K殼層殼層。 物質(zhì)物質(zhì)的光電截面：的光電截面：子數(shù)靶物質(zhì)中單位體積的原N：Nph 討論：討論： 在以上兩種情況下，都有在以上兩種情況下，都有Z5，隨隨Z的增大，光電截面迅的增大，光電截面迅速增大速增大。 原因：原因：光電效應(yīng)是光電效應(yīng)是 光子與束縛電子的作用，光子與束縛電子的作用，Z越大，則電子在越大，則電子在原子中束縛得越緊，越容易使原子核參與光電過(guò)程來(lái)滿足能量和動(dòng)原子中束縛得越緊，越容易使原子核參與光電過(guò)程來(lái)滿足能量和動(dòng)量守恒要求，因而產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率就越大。量守恒要求，因而產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率就越大。 NhZ 5 . 35（在（在非相對(duì)論情況非相對(duì)論情況下：下： ）NhZ15（在（在相對(duì)

45、論情況相對(duì)論情況下：下： ）20CmhBK20Cmh 隨隨hv的增加而減小的增加而減小。低能時(shí)，。低能時(shí)， (h)-3.5，減小得更快一減小得更快一些；高能時(shí)，些；高能時(shí)， (h)-1，變化緩慢一些。變化緩慢一些。NhZ 5 . 35（在（在非相對(duì)論情況非相對(duì)論情況下：下： ）NhZ15（在（在相對(duì)論情況相對(duì)論情況下：下： ）20CmhBK20Cmh 原因解釋：原因解釋： 射線能量低時(shí)，相對(duì)而言，電子被束縛得也就越射線能量低時(shí)，相對(duì)而言，電子被束縛得也就越緊，越容易發(fā)生光電效應(yīng)；而當(dāng)緊，越容易發(fā)生光電效應(yīng)；而當(dāng) 射線能量高時(shí)，電子的束縛能相射線能量高時(shí)，電子的束縛能相對(duì)來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)，這種電子

46、接近對(duì)來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)，這種電子接近“自由電子自由電子”，所以光電效應(yīng)截，所以光電效應(yīng)截面就小。面就小。 即：即：對(duì)于低能時(shí)，電子相對(duì)束縛緊些，更易發(fā)生光電效應(yīng)。對(duì)于低能時(shí)，電子相對(duì)束縛緊些，更易發(fā)生光電效應(yīng)。應(yīng)用：應(yīng)用： 對(duì)于對(duì)于選擇探測(cè)器選擇探測(cè)器的的材料材料的提示：的提示：采用高原子序數(shù)的材料，可提高采用高原子序數(shù)的材料，可提高 射線的射線的探測(cè)效率。探測(cè)效率。 對(duì)對(duì)防護(hù)、屏蔽防護(hù)、屏蔽 射線射線的提示：的提示：采用采用高高Z材料材料（如（如Pb）可以有效阻擋可以有效阻擋 射線。射線。 吸收限：吸收限：n 產(chǎn)生條件：吸收限是在產(chǎn)生條件：吸收限是在入射光子能量與入射光子能量與K、L、M層電子

47、的層電子的結(jié)合能相一致結(jié)合能相一致時(shí)出現(xiàn)的（時(shí)出現(xiàn)的（吸收限等于相應(yīng)殼層電子結(jié)合能吸收限等于相應(yīng)殼層電子結(jié)合能）。）。 原因：原因：當(dāng)光子能量逐漸增加到等于某一層電子的結(jié)合能時(shí)，這當(dāng)光子能量逐漸增加到等于某一層電子的結(jié)合能時(shí)，這一殼層的電子就對(duì)光電作用有貢獻(xiàn)。因而一殼層的電子就對(duì)光電作用有貢獻(xiàn)。因而phph就階躍式地上升到某就階躍式地上升到某一較高數(shù)值，然后又隨能量的增加而下降。一較高數(shù)值，然后又隨能量的增加而下降。n 含義：當(dāng)含義：當(dāng)hv 2m0c2時(shí)，有：時(shí)，有： 當(dāng)當(dāng)h 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于2m0c2時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面的的增加速度變緩慢增加速

48、度變緩慢。)ln()ln(222hZhZcp)()02. 1(221hZhZcp)ln()ln(222hZhZcp 不論不論h 為多少為多少（不論入射光子能量位于高能區(qū)還是低能區(qū)不論入射光子能量位于高能區(qū)還是低能區(qū)），電子對(duì)截面都，電子對(duì)截面都正比于靶物質(zhì)原子序數(shù)的平方正比于靶物質(zhì)原子序數(shù)的平方（pZ2 ）。）。電子對(duì)效應(yīng)截面與電子對(duì)效應(yīng)截面與 光子能量的關(guān)系光子能量的關(guān)系n 從右圖可見(jiàn)：從右圖可見(jiàn)： 在能量較低時(shí)，在能量較低時(shí)，p p隨光子能隨光子能量線性增加；量線性增加； 高能時(shí)，高能時(shí)，p p與光子能量的變與光子能量的變化就緩慢一些?；途徛恍?。射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，三種作用效應(yīng)是射線

49、與物質(zhì)相互作用時(shí)，三種作用效應(yīng)是相互競(jìng)爭(zhēng)相互競(jìng)爭(zhēng)的。的。u Pb：對(duì)：對(duì)3MeV伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的15；u Al：對(duì)：對(duì)3MeV伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的0；n 天然伽瑪射線能量范圍：天然伽瑪射線能量范圍：03MeVn 天然巖石有效原子序數(shù)：天然巖石有效原子序數(shù)：1020 結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)天然當(dāng)天然 射線與巖石作用時(shí)，形成電子對(duì)效應(yīng)的幾率射線與巖石作用時(shí)，形成電子對(duì)效應(yīng)的幾率很小，可以忽略。很小，可以忽略。n 當(dāng)當(dāng)入射光子能量高于入射光子能量高于1.02MeV時(shí)，這三種效應(yīng)在時(shí)，這三種效應(yīng)在 射線射線與物與物質(zhì)相互作用

50、時(shí)都可能發(fā)生。當(dāng)質(zhì)相互作用時(shí)都可能發(fā)生。當(dāng)入射光子能量低于入射光子能量低于1.02MeV時(shí)，只時(shí)，只有光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)能發(fā)生。有光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)能發(fā)生。n 若用若用phph、c c、p p 分別表示入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電分別表示入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)的截面，則入射光子與物質(zhì)原子效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)的截面，則入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生作用的總截面發(fā)生作用的總截面為：為：pcphn 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)p p = 0 。MeVE02. 1n 三種效應(yīng)的截面均與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，存在下述關(guān)系：三種效應(yīng)的截面均與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，存在下述關(guān)系： 5ZphZc2

51、Zpn phph和和c c均隨入射光子能量增大而降低，而均隨入射光子能量增大而降低，而p p在入射光子能在入射光子能量大于等于量大于等于1.02MeV以后，隨以后，隨E 的增大而增大。的增大而增大。 三種主要效應(yīng)的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關(guān)系三種主要效應(yīng)的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關(guān)系 n 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用三種相互作用方式比較三種相互作用方式比較 不同介質(zhì)中各種效應(yīng)相對(duì)為主的不同介質(zhì)中各種效應(yīng)相對(duì)為主的 射線能量范圍射線能量范圍 結(jié)論結(jié)論： 對(duì)對(duì)中等能量的中等能量的 射線射線，在各種介質(zhì)中在各種介質(zhì)中（不論靶物質(zhì)的原子序數(shù)（不論靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z大大小

52、）小），以，以發(fā)生康普頓效應(yīng)為主發(fā)生康普頓效應(yīng)為主；（注注：表中：表中主要作用區(qū)主要作用區(qū)是指該作用占總效應(yīng)的是指該作用占總效應(yīng)的50%以上；以上； 起始作用區(qū)起始作用區(qū)是指該作用占總效應(yīng)的是指該作用占總效應(yīng)的5%以上。）以上。） 對(duì)對(duì)低能低能 射線與射線與重物質(zhì)重物質(zhì)(Z大大)，以，以發(fā)生光電效應(yīng)為主發(fā)生光電效應(yīng)為主； 對(duì)對(duì)高能高能 射線與射線與重物質(zhì)重物質(zhì)(Z大大)，以，以發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)為主發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)為主。 當(dāng)當(dāng) 光子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，通過(guò)與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓光子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，通過(guò)與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)， 射線損失其能量。射線損失其能量。 射

53、線與吸收物質(zhì)原子一旦發(fā)生這三種相互作用，原來(lái)能量為射線與吸收物質(zhì)原子一旦發(fā)生這三種相互作用，原來(lái)能量為h的光子就消失，或散射后能量改變，并偏離原來(lái)的入射方向。的光子就消失，或散射后能量改變，并偏離原來(lái)的入射方向。 總之，總之， 光子一旦發(fā)生作用光子一旦發(fā)生作用（只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量（只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移）轉(zhuǎn)移），就從原來(lái)的入射，就從原來(lái)的入射 束中移去。束中移去。 射線的衰減（或吸收）射線的衰減（或吸收）： 射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)原子之間的三種相互作用，射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)原子之間的三種相互作用，使使 光子的數(shù)量不斷的減少，物質(zhì)層越厚，光子的數(shù)量不斷的減少

54、，物質(zhì)層越厚， 光子數(shù)量減少得越光子數(shù)量減少得越多，這種現(xiàn)象稱做多，這種現(xiàn)象稱做物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì) 射線的衰減（或吸收）射線的衰減（或吸收）。 單色窄束單色窄束 射線射線： 所謂單色窄束所謂單色窄束 射線，射線，是指是指單能單能，并并經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直處理經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直處理，只有只有沿沿入射方向才有射線射出入射方向才有射線射出的測(cè)量條件的測(cè)量條件。 準(zhǔn)直裝置的作用準(zhǔn)直裝置的作用：使射線源放出的：使射線源放出的 射線成為射線成為一束窄而平行一束窄而平行的射線的射線。探測(cè)器周圍用屏蔽物質(zhì)遮擋，從而。探測(cè)器周圍用屏蔽物質(zhì)遮擋，從而散射光子不會(huì)進(jìn)入探散射光子不會(huì)進(jìn)入探測(cè)器而被記錄測(cè)器而被記錄。厚厚 度度 X I0 I I0

55、：入射：入射 射線的強(qiáng)度；射線的強(qiáng)度；I：通過(guò)厚度為：通過(guò)厚度為X的吸收屏后，測(cè)得的的吸收屏后，測(cè)得的 射線強(qiáng)度。射線強(qiáng)度。 “好幾何條件好幾何條件”實(shí)驗(yàn)裝置：能夠使散射實(shí)驗(yàn)裝置：能夠使散射 光子不被探測(cè)器光子不被探測(cè)器記錄的實(shí)驗(yàn)裝置。記錄的實(shí)驗(yàn)裝置。 為光子與吸收物質(zhì)作用的截面；為光子與吸收物質(zhì)作用的截面；N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；I0為為 射線入射強(qiáng)度；射線入射強(qiáng)度；D為吸收物質(zhì)厚度。為吸收物質(zhì)厚度。n 設(shè)：設(shè)： 設(shè)在設(shè)在x深度處的深度處的 射線強(qiáng)度為射線強(qiáng)度為I，則在，則在xx+dx層內(nèi)層內(nèi)單位時(shí)間光單位時(shí)間光子數(shù)的變化子數(shù)的變化為：為：INdxdI（等于

56、在該層物質(zhì)內(nèi)（等于在該層物質(zhì)內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生作用的光子數(shù)單位時(shí)間發(fā)生作用的光子數(shù)）對(duì)上面的方程積分：對(duì)上面的方程積分：0)0(IxINxeIxI0)(NDeIDI0)(光子束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為：光子束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為：xeIxI0)(NxeIxI0)(對(duì)于對(duì)于，設(shè)：，設(shè)：則窄束則窄束 射線強(qiáng)度的射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律為：衰減規(guī)律為：N（線性衰減線性衰減(或吸收或吸收)系數(shù)系數(shù)，又稱為，又稱為宏觀截面宏觀截面 ） 結(jié)論：結(jié)論： 光子的數(shù)目隨通過(guò)介質(zhì)層厚度增加而減小，服光子的數(shù)目隨通過(guò)介質(zhì)層厚度增加而減小，服從指數(shù)衰減規(guī)律。從指數(shù)衰減規(guī)律。 xeIxI0)( 1、線衰減系數(shù)、線衰減系數(shù)是由于伽瑪射線通

57、過(guò)物質(zhì)時(shí)，發(fā)生三種是由于伽瑪射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，發(fā)生三種衰減效應(yīng)的總效應(yīng)之和：衰減效應(yīng)的總效應(yīng)之和： 指數(shù)衰減因子指數(shù)衰減因子 線性衰減系數(shù)線性衰減系數(shù) 宏觀截面宏觀截面 ANNApcph2、線衰減系數(shù)、線衰減系數(shù)的單位是：的單位是：cm-13、線衰減系數(shù)、線衰減系數(shù)的物理意義：的物理意義：dxIdI當(dāng)射線穿過(guò)當(dāng)射線穿過(guò)單位距離介單位距離介質(zhì)時(shí)，單個(gè)質(zhì)時(shí)，單個(gè)光子被損失光子被損失掉的幾率。掉的幾率。INdxdINIdxdI4、線性衰減系數(shù)、線性衰減系數(shù)與與入射入射 射線射線、作用介質(zhì)作用介質(zhì)有關(guān)：有關(guān)：xeIxI0)(ANApcph 射線能量高射線能量高 值小值小 吸收介質(zhì)的密度吸收介質(zhì)的密度大大

58、 值大值大 5、對(duì)于、對(duì)于某一確定某一確定 射線能量射線能量，每一種介質(zhì)每一種介質(zhì)有一有一確定的確定的線性線性吸收系數(shù)吸收系數(shù)值值，該值，該值是作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)是作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)。鉛和鋁的衰減系數(shù)鉛和鋁的衰減系數(shù)吸收物質(zhì)原子序數(shù)高吸收物質(zhì)原子序數(shù)高 值大值大 / 質(zhì)量衰減系數(shù)（質(zhì)量衰減系數(shù)（m）xeIxI0)(ANApcph 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，被吸收的多少，不僅與物質(zhì)的原子序數(shù)射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，被吸收的多少，不僅與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，尚與其密度有關(guān)。為此，引入質(zhì)量衰減系數(shù)。有關(guān)，尚與其密度有關(guān)。為此，引入質(zhì)量衰減系數(shù)。質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)/的單位是：的單位是： cm2/g =cm-

59、1/(g/cm3)ANAmpmcmphmm,質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)與與物質(zhì)狀態(tài)物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。引入質(zhì)量吸收系數(shù)后，物質(zhì)的厚度一般采用引入質(zhì)量吸收系數(shù)后，物質(zhì)的厚度一般采用質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度：xm。xxm 2cmg單位：?jiǎn)挝唬簃mxxxeIeIeIxI000)( 射線在射線在化合物或混合物化合物或混合物中的質(zhì)量中的質(zhì)量衰減系數(shù)為：衰減系數(shù)為：式中：式中：ci第第 i 種組分的重量百分比；種組分的重量百分比； mi第第 i 種組分的質(zhì)量衰減系數(shù)。種組分的質(zhì)量衰減系數(shù)。.21211mmnimimccci 半吸收厚度半吸收厚度(d1/2) 射線強(qiáng)度減弱射線強(qiáng)度減弱1/2所通過(guò)吸收物質(zhì)層的厚度。所通

60、過(guò)吸收物質(zhì)層的厚度。xeIxI0)(212/1 de693. 0212/1nd可以可以用半吸收厚度表示指數(shù)衰減規(guī)律用半吸收厚度表示指數(shù)衰減規(guī)律：水 水泥 Al Pb137Cs 8.08 3.81 3.44 0.556 60Co 11 5.17 4.67 0.989 半吸收厚度半吸收厚度 單位：?jiǎn)挝唬篶m物質(zhì)層厚度物質(zhì)層厚度 0 I / I 射線的防護(hù)大都選用重金屬射線的防護(hù)大都選用重金屬鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護(hù)墻。鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護(hù)墻。21212)(02ln00dxdxxIeIeIxI2/121dn窄束窄束裝置裝置寬束寬束裝置裝置厚厚 度度 X I0 I 厚厚 度度 X I0 I 探