射線與物質(zhì)的相互作用

1、1射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 堪培拉北京代表處堪培拉北京代表處2射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用u具有一定動(dòng)能的射線會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，叫做致電離輻射。u第一節(jié)概述u第二節(jié)重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用u第三節(jié)快電子與物質(zhì)的相互作用u第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用u第五節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用3第一節(jié)概述第一節(jié)概述u一致電離輻射的種類u二彈性碰撞和非彈性碰撞u三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化4一、致電離輻射的種類一、致電離輻射的種類 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 快電子：，；快電子：，； 電磁輻射：電磁輻射：、射線；射線； 重帶電粒子重帶電粒子 中子中子 n；

2、致電離輻射：能量大于10eV量級(jí)的射線。我們以后提到的“輻射”或“射線”，均指“致電離輻射”。TdP, e 5二彈性碰撞和非彈性碰撞二彈性碰撞和非彈性碰撞 相互作用過程中，滿足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 當(dāng)E = 0時(shí)，彈性碰撞； 當(dāng)E 0時(shí)，非彈性碰撞； E 0時(shí)，為第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)； E 0時(shí)，為第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的核碰撞。 帶電粒子通過庫侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。6三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可以分為四種過程，其中前兩個(gè)過程是主要的： (1)電

3、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程。 入射帶電粒子與核外電子的庫侖作用，使電子獲得能量引起： 電離核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子，主要發(fā)生在最外層電子。電子。 激發(fā)使核外層電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是帶電粒子在物質(zhì)中損失動(dòng)能的主要方式。7三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。 入射帶電粒子速度和方向發(fā)生變化，同時(shí)發(fā)射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動(dòng)能的一種重要方式。(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞 入射粒子不輻射光子，不激發(fā)原子核，方向偏轉(zhuǎn)； 入射粒子損

4、失一部分動(dòng)能，靶核得到反沖。 叫做核碰撞損失，核阻止； 主要對低能重離子入射。8三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子彈性碰撞 與電子的庫侖作用，使入射粒子方向偏轉(zhuǎn)； 入射粒子損失一部分動(dòng)能，但能量轉(zhuǎn)移很小，電子能量狀態(tài)不發(fā)生改變。 100eV以下的粒子才需考慮。910第二節(jié)重帶電粒子與物質(zhì)中的相互作用第二節(jié)重帶電粒子與物質(zhì)中的相互作用一電離損失率二重帶電粒子的射程特點(diǎn)特點(diǎn)：重帶電粒子均為帶正電荷離子；主要通過電離損失而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；其運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。 與核外電子的非彈性碰撞； 與原子核的非彈性碰撞。11一、電離損失率一、電

5、離損失率能量損失率： 入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程損失的能量。radionradiondxdEdxdESSdxdES 有：電離損失率，輻射損失率。對于重帶電粒子，也叫線性阻止本領(lǐng)。ioniondxdESS12一、電離損失率一、電離損失率假設(shè)：（1）物質(zhì)原子的電子可以看成是自由的(入射粒子的動(dòng)能大于大于電子的結(jié)合能)。 （2）物質(zhì)原子的電子可看成是“靜止”的。 （3）由于碰撞中入射粒子傳給電子的能量比自身能量小得多，可認(rèn)為在碰撞后入射帶電粒子仍按原方向運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)量子理論，并考慮了相對論修正。推導(dǎo)出來的重帶電粒子電離能量損失率的精確表達(dá)式稱為Bathe-Block公式： 13一、電離損失率一

6、、電離損失率Bathe-Block公式： NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)1ln(2ln式中：z 為入射帶電粒子電荷數(shù)； Z 為靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)； N 為靶物質(zhì)單位體積中的原子數(shù)； v 為入射帶電粒子速度； I 為靶物質(zhì)平均等效電離電位； m0 為電子靜止質(zhì)量； =v/c 為重粒子速度與真空中光速之比。14一、電離損失率一、電離損失率Bathe公式的幾點(diǎn)討論：例如，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，只與電荷z及速度v有關(guān)。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm2、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，)(

7、)(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p與，S=4Sp 。15一、電離損失率一、電離損失率3、S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比，NZS Z吸收材料原子序數(shù)高、材料密度大的材料其阻止本領(lǐng)大。 4、S與v2的關(guān)系 v2較小，S 1/v2 ； v2較大，相對論效應(yīng)，對數(shù)項(xiàng)增大，S上升 ； v2很小，電荷交換效應(yīng)，俘獲； v2極小，核阻止作用。16一、電離損失率一、電離損失率圖中，b部分代表非相對論狀況，c部分代表相對論狀況。a部分是入射粒子能量很低時(shí)的情況。1718第三節(jié)快電子與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)快電子與物質(zhì)的相互作用 特點(diǎn)： 1、運(yùn)動(dòng)速度大； 2、電離損失，輻射損失； 3、碰撞中能量

8、轉(zhuǎn)移大，方向改變大(散射嚴(yán)重)。 快速電子：e ， 。 一能量損失率 二吸收與射程 三正電子與物質(zhì)的相互作用19一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 對于快速電子，考慮相對論效應(yīng)時(shí)的電離損失率：BvmNZedxdEion20422222201122ln)1 (2lnIEvmB22211811快速電子在物質(zhì)中穿透本領(lǐng)比重帶電粒子大得多。20一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 快速電子損失能量的方式：電離損失，輻射損失。在單位路程上通過輻射損失的能量叫做輻射損失率：312ln137) 1(4204204cmEEcmeZNZdxdErad 輻射損失的方式是發(fā)出韌致輻射。帶電粒子穿過

9、物質(zhì)時(shí)受到物質(zhì)原子核的庫侖作用，速度大小和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化，這時(shí)伴隨發(fā)射電磁波。稱之為軔致輻射。 21一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 結(jié)論：1、輻射損失率與入射粒子質(zhì)量m的平方成反比。 所以，重帶電粒子的輻射損失可以忽略不計(jì)；僅對電子才重點(diǎn)考慮。 2、輻射損失率與靶物質(zhì)NZ2成正比。當(dāng)電子能量高以及吸收材料原子序數(shù)大時(shí)，輻射損失更顯著。為吸收、屏蔽射線時(shí)不宜選用重材料。但為獲得強(qiáng)的射線，則用重材料如鎢作為靶材料。 3、輻射損失率與入射粒子能量E成正比。22一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 快速電子總的能量損失：radiondxdEdxdEdxdE 入射電子能量高，輻

10、射損失起主要作用； 入射電子能量低，電離損失起主要作用。700)()(ZEdxdEdxdEionrad例如：靶物質(zhì)Pb，Z=82，當(dāng)Ee9MeV，兩者相當(dāng)。23二、吸收與射程二、吸收與射程 快速電子在物質(zhì)中有散射現(xiàn)象。 大于90的散射叫做反散射。吸收： 電子束通過一定厚度的物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。特點(diǎn)： 電子的路程遠(yuǎn)大于射程； 電子的射程有較大歧離。24二、吸收與射程二、吸收與射程 1、單能電子束的吸收最大吸收厚度R025二、吸收與射程二、吸收與射程 2、 射線的吸收teII0REmax由于放射性同位素源發(fā)射的粒子的能量是從零到最大能量連續(xù)分布的。其吸收衰減曲線恰好具有近似指數(shù)的形式，在半對數(shù)

11、坐標(biāo)中近似為直線。26二、吸收與射程二、吸收與射程 27二、吸收與射程二、吸收與射程 3、射線在鋁中的射程典型物質(zhì)中射線的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 對比：4MeV 在空氣中的射程約為2.5cm。38. 1max407. 0ER 當(dāng) 0.15MeVEmax0.8MeV 時(shí)，MeV),g/cm(2133. 0542. 0maxER當(dāng)0.8MeVEmax3MeV 時(shí)，MeV),g/cm(228二、吸收與射程二、吸收與射程 4、反散射 入射電子在物質(zhì)中發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，又從入射表面發(fā)

12、射出來。定義： 反散射系數(shù)，0II E小，大； Z大，大。29三、正電子與物質(zhì)的相互作用三、正電子與物質(zhì)的相互作用 對電子與物質(zhì)相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過程。正電子在吸收體中的徑跡類似于負(fù)電子的，其能量損失率及射程也與初始能量相同的負(fù)電子相同。 正電子在物質(zhì)中也會(huì)發(fā)生電離損失、輻射損失。 處于熱能的正電子會(huì)與吸收物質(zhì)中的電子發(fā)生正電子湮沒。20212cmhhchch21keV5112021cmhh3031第四節(jié)第四節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 光子不帶電； 光子與電子或原子核存在電磁相互作用， 在一次作用中損失全部能量或大部分能量。 射線是能量很高的電磁波

13、，具有波粒二象性。 一光電效應(yīng) 二康普頓散射 三電子對效應(yīng) 四 射線的吸收32一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)特征：ieBhE1、光電子動(dòng)能等于光子能量與結(jié)合能之差：通常，hBi所以，hEe 光子與一個(gè)原子作用，把能量全部交給原子，使一個(gè)束縛電子從原子中發(fā)射出來，光子消失。入射光子與內(nèi)層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率較大。33一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)2、光電效應(yīng)伴隨有特征x射線和Auger電子。 從內(nèi)殼層打出電子，原子處于激發(fā)態(tài)。原子退激過程： 發(fā)出特征x射線， 發(fā)出Auger電子。3、光電截面ph的主要特征光子與物質(zhì)原子發(fā)生相互作用時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)的概率用“光電效應(yīng)截面”來表示，簡稱“光電截面”。34

14、一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)527527204132ZhZhcmthKph當(dāng)當(dāng)hvm0c2，即相對論情況即相對論情況其中， =1/137,稱為Thomson截面。220238cmeth5ZKph127)()(hhKph35一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)總光電截面ph ：MphLphKphph光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層上：phKph54吸收邊(限)36一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)結(jié)論：（1）phZ5。對于選擇探測器的探測介質(zhì)時(shí)采用高原子序數(shù)材料，一提高探測效率。對防護(hù)、屏蔽射線時(shí)同樣采用高Z材料。（2）光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小。37一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)4、光電子的角分布 入射能量增加，最大截面向

15、小角度方向移動(dòng)。 在 =0和 =180方向上沒有觀察到光電子。38二、康普頓散射二、康普頓散射 散射光子，散射角 ； 反沖電子，反沖角 。與原子外層電子的散射， “自由電子”； 光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，光子的能量和方向發(fā)生改變。軌道電子速度遠(yuǎn)小于光速， “靜止電子”。 散射光子還可繼續(xù)發(fā)生Compton散射和光電效應(yīng)。39二、康普頓散射二、康普頓散射1、能量與角度關(guān)系未知數(shù)：h，Ee ， ， 。根據(jù)能量守恒：220201cmhcmhcos1cos20cmchch根據(jù)動(dòng)量守恒：sin1sin20cmch40二、康普頓散射二、康普頓散射聯(lián)解得到康普頓移動(dòng)：)cos1 (2

16、02cmhhh解得：)cos1 (120cmhhh)cos1 (120hcmhhhEe2120tgcmhctg41二、康普頓散射二、康普頓散射2、結(jié)論(1) 散射光子和反沖電子的能量是連續(xù)的。 大，Ee大，h小； 小，Ee小，h大。(2) 幾種特殊情況： =0，h=h ； =，h= (h)min ； 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。42二、康普頓散射二、康普頓散射(3) 散射角與反沖角存在一一對應(yīng)的關(guān)系。(4) 當(dāng)h m0c2時(shí)，Ee h 。43二、康普頓散射二、康普頓散射康普頓散射總截面：dddecce,dddecce,整個(gè)原子的康普頓散射總截面：cecZ當(dāng)h m0c2時(shí)，

17、212ln202020cmhhcmrZc45二、康普頓散射二、康普頓散射反沖電子能量分布：eeeedEddddEd與入射光子能量h相差200keV?？灯疹D邊緣：hcmhEe2120eedEddd康普頓坪連續(xù)分布。46三、電子對效應(yīng)三、電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)的特征： 光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對。1、能量關(guān)系 從能量守恒：202cmEEhee202cmh電子對效應(yīng)發(fā)生的條件：)2(0,20cmhEEee電子動(dòng)能范圍：47三、電子對效應(yīng)三、電子對效應(yīng)2、電子對效應(yīng)必須在有原子核參加時(shí)才能發(fā)生。 在電子的庫侖場中也可以發(fā)生電子對效應(yīng)：204cmh3、電子對效應(yīng)之后伴隨

18、正電子湮沒。 原子核帶走多余的動(dòng)量，又不帶走過多的動(dòng)能。20212cmhhchch21keV5112021cmhh48三、電子對效應(yīng)三、電子對效應(yīng) 如果吸收物質(zhì)足夠大，吸收的總能量為：202cmEEEee正負(fù)電子來自何方？ 不是從原子核中釋放的； 如果一個(gè)湮沒光子從吸收物質(zhì)逃逸，2020cmhcmEEEee 如果兩個(gè)湮沒光子都從吸收物質(zhì)逃逸，202cmhEEEee 也不是來自原子中的電子軌道； 是射線轉(zhuǎn)化而來，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。h49三、電子對效應(yīng)三、電子對效應(yīng)4、截面 當(dāng)入射光子能量不同時(shí)，各種作用截面不同；)ln()(22hZhZp202cmh202cmh 當(dāng) h m0c2 時(shí)，三種作

19、用都可能發(fā)生，入射光子與物質(zhì)原子作用的總截面為：pcph50小結(jié)：小結(jié)：（1 1）作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系）作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系5Zph Zc 2Zp 總體來說，總體來說，吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大，各相互作用，各相互作用截面越大截面越大，其中其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大，康普頓散射康普頓散射變化最小。變化最小。光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓散射康普頓散射電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)51小結(jié)：小結(jié)：（2 2）三種相互作用截面與）三種相互作用截面與 能量的關(guān)系能量的關(guān)系2/ 7)/ 1 ( hvph 光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面隨隨入射光

20、子能量增入射光子能量增加而減小，開始加而減小，開始時(shí)變化劇烈，后時(shí)變化劇烈，后基本成反比?；境煞幢?。)(Khv )/ 1 ( hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505 (2020cmhvcm 電子對效應(yīng)截面電子對效應(yīng)截面隨入射光子能量隨入射光子能量增加而增加，只增加而增加，只有光子能量大于有光子能量大于1.022MeV1.022MeV才能發(fā)才能發(fā)生。生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普頓散射截面康普頓散射截面開始基本為常數(shù)，開始基本為常數(shù)，隨入射光子能量隨入射光子能量增加而減小，減增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩小比光電效應(yīng)緩慢。

21、慢。)(20cmhv 52小結(jié)：小結(jié)：（2 2）三種相互作用與）三種相互作用與 能量的關(guān)系能量的關(guān)系53小結(jié)：小結(jié)：hBhEie)cos1 (120hcmhEe(3)次電子能量光電效應(yīng)： 康普頓散射效應(yīng)： 電子對效應(yīng)： 202cmhEEEee54小結(jié)：小結(jié)：（4 4）三種相互作用的生成物）三種相互作用的生成物光電效應(yīng)：光電子；特征X射線，俄歇電子?？灯疹D效應(yīng)：散射光子，反沖電子。電子對效應(yīng)：正、負(fù)電子，湮沒光子。（5 5）三種相互作用的相對重要性）三種相互作用的相對重要性 低能、高Z，光電效應(yīng)占優(yōu)勢； 高能、高Z，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢； 中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢。55小結(jié)：小結(jié)：5657第五節(jié)

22、中子與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用中子的分類： 慢 中 子：E1keV，其中：熱中子E0.0253eV； 中能中子：E1100keV； 快 中 子：E0.120MeV；慢中子(En100keV)與核發(fā)生相互作用： 轉(zhuǎn)移給核的動(dòng)能較大，反應(yīng)截面很小，測反沖核。中子主要通過核反應(yīng)或彈性散射產(chǎn)生重帶電粒子。58中子與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用 1、中子在核能釋放過程中起著關(guān)鍵的作用； 2、中子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域有很大發(fā)展； 3、中子不帶電，與原子核發(fā)生相互作用不受庫侖位壘的阻擋。中子與物質(zhì)的相互作用是與原子核的相互作用。中子探測的基本方法： 核反應(yīng)、核反沖、核裂變、活化。中子探測的特

23、殊地位：59一、核反應(yīng)法一、核反應(yīng)法 利用中子產(chǎn)生的發(fā)射帶電粒子核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象就可以探測中子。主要探測中子的強(qiáng)度，也可探測快中子的能譜。 能利用的發(fā)射帶電粒子核反應(yīng)需要反應(yīng)截面較大。1、MeV(93.9%)31. 2MeV(6.1%)792. 2*7710LiLiBnMeV478. 07*7LiLi 天然硼中10B的含量為19.8%，易濃縮，應(yīng)用最廣。b)93837(060一、核反應(yīng)法一、核反應(yīng)法 反應(yīng)能最大，有利于區(qū)分中子與信號(hào)。 天然鋰中6Li的含量為7.5%，高濃縮鋰價(jià)格昂貴。2、MeV786. 436HLinb)4940(0 反應(yīng)截面最大； 反應(yīng)能最小，不利于區(qū)分中

24、子和信號(hào)； 天然氦中3He的含量很低，只有1.4104 %。 3、MeV764. 033pHHenb)75333(061一、核反應(yīng)法一、核反應(yīng)法4、MeV627. 01414pCNnb9 . 10 反應(yīng)能和反應(yīng)截面都小， 用作對含氫正比計(jì)數(shù)器進(jìn)行能量刻度。 Elog21log三種截面與能量的關(guān)系： vE11得到截面的1/v定律： 62二、核反沖法二、核反沖法在彈性散射中： 中子的能量和方向發(fā)生改變； 原子核獲得一定的動(dòng)能，不改變內(nèi)部狀態(tài)，叫做反沖核。 反沖核是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。 通過記錄帶電粒子來探測中子，叫做核反沖法。 核反沖法主要用于快中子探測。EEnN單位時(shí)間單位面積內(nèi)的反沖核數(shù)目：dNs

25、MME上式：中子通量密度，散射截面，靶原子密度，靶厚度。63二、核反沖法二、核反沖法當(dāng)中子能量E30MeV時(shí)，22cos)(4nnMmMMmEE 常選用石蠟、聚乙烯、水等材料作為中子慢化劑； 選用輕核作為中子探測器和靶材料，如塑料閃爍體、有機(jī)液體閃爍體等。2cosEEp反沖質(zhì)子法： 由動(dòng)量守恒關(guān)系，在一次反沖中，反沖角度范圍：90064二、核反沖法二、核反沖法當(dāng) = 0時(shí)，EEp反沖核的選擇：1、輕核反沖動(dòng)能大；2、彈性散射截面大；3、截面與中子能量的變化關(guān)系平滑；4、反沖核的角分布函數(shù)簡單。當(dāng) = 10時(shí)，EEp97. 065二、核反沖法二、核反沖法 當(dāng) = 0時(shí)， Ep=E ； 當(dāng) = 90時(shí)，Ep=0 。EEPp1)( 單能中子入射時(shí)的反沖質(zhì)子能譜分布： 實(shí)際測量中從反沖質(zhì)子能譜推得中子能譜。dEdnpdEdpEpEEpEP(Ep)1/E0 Ep 處的反沖質(zhì)子能譜值是Ep Emax的中子產(chǎn)生的反沖質(zhì)子能譜的疊加。EpEmax66三、核裂變法三、核裂變法 中子與重核作用，誘