射線與物質的相互作用3實用教案

1、第1頁/共39頁第一頁，共39頁。n 中子存在于除氫以外的所有原子核中，是構成(guchng)原子核的重要組分。n 自由中子是不穩(wěn)定的。一個自由中子會自發(fā)地轉變成一個質子、一個電子(粒子)和一個反中微子，并釋放出0.782MeV的能量。MeVvepn782. 0)()(反中微子自由中子的不穩(wěn)定性反映中子的靜止質量稍大于氫原子質量。mn1.0086649u939.565300MeV/c2mH1.007825u938.7830MeV/c2因此貯存自由中子是不可能的。第2頁/共39頁第二頁，共39頁。n 中子(zhngz)的壽命：自由中子(發(fā)生(fshng)衰變)的半衰期為T1/2=10.60min

2、n 中子(zhngz)的電荷：中子總體是電中性（不帶電），是中性粒子。n 中子具有強的穿透能力： 中子與物質中原子的電子相互作用很小，基本上不會因使原子電離和激發(fā)而損失其能量，因而比相同能量的帶電粒子具有強得多的穿透能力。 中子在物質中損失能量的主要機制是與原子核發(fā)生碰撞。 產生兩個問題：中子的探測（通過與靶核反應或散射產生的帶電粒子的測量得到中子能量信息）和對中子的屏蔽及防護。（后續(xù)課程要解決的問題）第3頁/共39頁第三頁，共39頁。n 慢中子：E10MeV；第4頁/共39頁第四頁，共39頁。 為了研究中子與物質相互作用以及它們在實際問題中的應用，首先必須要有能夠滿足不同要求(yoqi)的中

3、子源以產生所需的中子。n 中子源的分類(fn li)： 加速器中子源 反應堆中子源 放射性中子源性能更好，多用性強，特別是加速器中子源可實現便攜式，使用方便，適合(shh)野外及現場使用第5頁/共39頁第五頁，共39頁。 加速器中子源是利用各種帶電粒子加速器去加速某些粒子(帶電粒子)，如質子和氘等，用它們去轟擊靶原子核產生(chnshng)中子。n 含義(hny)： 這種中子(zhngz)源的特點是可以在較廣闊的能區(qū)內獲得強度適中、能量單一的中子(zhngz)束流。n 特點：n 在低能加速器上用來產生(020)MeV單能中子的核反應：第6頁/共39頁第六頁，共39頁。HendT4),(Hend

4、D3),(都是放熱反應(Q0)，它們發(fā)射中子的能量為： 式中：Ed是入射氘核的動能，mn，md和mB分別是中子、入射氘核和剩余核的質量，Q是反應能，為中子的出射角。222)1 ()(coscos)(BddndnBBnBnddnmmEQmmmmmmmmmEE 可見(kjin)：中子的能量不僅和入射氘的動能Ed有關，而且和中子的出射角有關。 兩個(lin )反應截面隨入射粒子能量的變化如下圖所示：第7頁/共39頁第七頁，共39頁。 兩種反應都會因為氘核破裂產生的破裂中子而受到干擾，限制了能夠產生單能中子的能區(qū)。 競爭反應過程T(d,np)T和D(d,np)D的閾能分別為3.71MeV和4.45Me

5、V。是吸熱反應(Q0)；BenpLi77),(反應： 只能(zh nn)得到(120600)KeV的單能中子，其截面隨能量Ep(1.922.4MeV)的變化如右圖所示：第8頁/共39頁第八頁，共39頁。是吸熱反應(Q92)。以252Cf (锎)(Z=98)最常用。 1克252Cf 每秒放出2.311012個中子（即中子產額為2.311012s-1g-1）。同時經衰變發(fā)出的射線平均能量為0.8MeV，數目(shm)為1.31013個。兩種射線數目(shm)的比值是一個定值。 252Cf同時具有衰變和自發(fā)裂變兩種衰變方式。經衰變放出的光子的分支比占96.9%，自發(fā)裂變產生中子的分支比占3.1%，有

6、效半衰期為2.64a，中子平均能量為2.2MeV。第17頁/共39頁第十七頁，共39頁。 中子(zhngz)與物質的相互作用實質上是中子(zhngz)與物質的靶核的相互作用。 中子因不帶電，能進入(jnr)核內組成復合核。復合核的壽命很短，它很快放出中子，光子或其他帶電粒子，甚至核裂變。n 中子與物質相互作用的基本特點： 作用對象：原子核 作用方式：各種核反應主要核反應形式彈性散射(n,n)非彈性散射(n,n)輻射俘獲(n,)核裂變反應(n,f)帶電粒子發(fā)射(n,),(n,p)多粒子發(fā)射(n,2n),(n,np) 當中子能量不同，原子核質量不同時，產生的主要作用形式也不同。第18頁/共39頁第

7、十八頁，共39頁。Hnnp電離n 中子與靶核碰撞過程中，動能、動量守恒，靶核的能級狀態(tài)沒有改變。相當于兩個彈性球的碰撞過程。碰撞后，中子的能量(nngling)和運動方向均有所改變。 中子的彈性散射更易于發(fā)生在與質量數較小的原子核的碰撞(pn zhun)過程中。 彈性散射是反應堆中，特別是熱中子反應堆中的一種(y zhn)主要中子核反應類型。 熱中子反應堆中主要是熱中子引發(fā)裂變。中子從快中子到熱中子的過程主要是依靠與輕核的彈性碰撞而損失能量。第19頁/共39頁第十九頁，共39頁。中子的動能損失或反沖核獲得(hud)的能量為： 22cos.4nnnMEmMMmEEEEM反沖核的動能；En，En分

8、別為碰撞前、后中子的動能；M反沖核質量；m中子質量；實驗室坐標系中反沖核的反沖角。式中： 從上式可以(ky)看出，原子核的質量越小，在彈性散射過程中，中子損失的能量或原子核得到的反沖動能越大。 當 = 0 時，反沖質子(zhz)能量最大，Ep = En當反沖核為質子(氫核)時，Mm，上式變?yōu)椋?cosnpEE p 探測中子的重要途徑：探測散射產生的反沖核獲取中子信息。對反沖質子，測量其能量Ep和反沖角即可得到中子能量En 。第20頁/共39頁第二十頁，共39頁。 碰撞后，中子的能量和運動方向均有所改變(gibin)，伴隨著靶核的衰變。高能中子與重核的散射反應主要是非彈性散射。n 中子與原子核發(fā)

9、生(fshng)非彈性散射，實際上包括兩個過程： 首先是中子被原子核吸收，形成一個復合核。但這個復合核不是處于穩(wěn)定的基態(tài)，而是處于激發(fā)態(tài)。 很快它就會又放出一個中子，并且放出射線，回到穩(wěn)定的基態(tài)。第21頁/共39頁第二十一頁，共39頁。n 非彈性散射的反應式可以(ky)表示如下：XnXXXnAzAzAzAz10*110)()(n 非彈性散射的中子能量存在(cnzi)閾值：非彈性散射有閾值：MmMEE.閾E放出的射線能量；式中：M反沖核質量；m中子質量； 只有當中子能量超過閾值時，非彈性散射才能發(fā)生。第22頁/共39頁第二十二頁，共39頁。輻射俘獲是最常見的核反應。結果是生成核比原來原子核大一個

10、質量數的同位素，即 。生成核往往具有放射性。XnXAZAZ1),()()(1*110XXXnAzAzAzn 中子活化：一個穩(wěn)定的同位素經中子照射后，生成放射性核，這種現象稱為激化或活化。相應的放射性稱為人工放射性或感生放射性。第23頁/共39頁第二十三頁，共39頁。 （n,）是制備(zhbi)放射性同位素的重要途徑： 對地質試樣進行活化分析時，也是利用(lyng)（n,）反應：ConCo6027105927或ConCo60275927),( 60Co是一種常用的放射性源。半衰期為5.25a，衰變時放出1.17MeV和1.33MeV兩種能量的射線。)(35. 2)(min5 .23),(2392

11、39239238钚镎PudNpUnUUdPaThnTh2332332332324 .27)(min1 .22),(鏷通過測量(n,)反應后的生成核的衰變子體239Np和233Pa，確定試樣中的U，Th含量。239Pu和233U是很好的核燃料，通過(n,)反應，可將自然界中存在的238U和232Th轉變成239Pu和233U。第24頁/共39頁第二十四頁，共39頁。n 含義(hny)： 并非所有的物質與中子作用都可以發(fā)生裂變。自然界中存在的物質只有235U與中子作用可以發(fā)生裂變反應。人工制造的裂變材料(cilio)包括233U、239U、241Pu等。中子與重原子核作用時，被靶核所吸收/俘獲之后

12、，靶核變成了兩個碎片（其它物質的原子核），同時釋放出23個中子和大量的能量（結合能）。第25頁/共39頁第二十五頁，共39頁。n 裂變過程中產生(chnshng)的中子： 瞬發(fā)中子(zhngz)： 緩發(fā)中子： 絕大部分(99%)的中子是在裂變過程之后的10-8秒放出的，稱為瞬發(fā)中子。 有很少部分(1%)的中子是在裂變過程之后，經過一段時間才發(fā)出的，稱為緩發(fā)中子。 緩發(fā)中子與裂變產物的衰變有關，裂變產物經衰變后，核處于激發(fā)態(tài)，如果該激發(fā)態(tài)能量高于中子在核中的結合能，則核會發(fā)射中子。 核發(fā)射緩發(fā)中子有各種不同的半衰期。第26頁/共39頁第二十六頁，共39頁。 中子與某些輕核發(fā)生作用(zuyng)時

13、，形成復合核并發(fā)出帶電粒子。 (n,p)反應是發(fā)出質子，(n,)反應是發(fā)出粒子。它們的反應能量Q有正有負。放熱反應(Q0)原則上在任何中子能量時都可發(fā)生。吸熱反應(Q0)有一個(y )閾值。 帶電粒子從核內發(fā)射出時，必須克服庫侖勢壘的阻礙。 勢壘高度隨Z迅速增加 對慢中子只有在輕核情況下才能發(fā)生(n,p)和(n,)反應。HnLi36),(LinB710),(和n 帶電粒子發(fā)射： (n, )反應：p 探測中子的重要途徑：通過測量與中子反應產生的帶電粒子獲得中子的信息。第27頁/共39頁第二十七頁，共39頁。 例：例： n + 14N 14C + p 第一步：第一步： 核反應產生質子核反應產生質子

14、(zhz) 第二步第二步 ：質子：質子(zhz)對物質產生電對物質產生電離作用離作用人體有大量 H 和 N 原子(yunz)中子對人體電離效應嚴重 傷害也嚴重n p電離14N14C12 (n,p)反應(fnyng)：n 多粒子發(fā)射： 如(n,2n)、(n,np)等，這些反應的閾能較高，只有特快中子轟擊靶核時才能發(fā)生。第28頁/共39頁第二十八頁，共39頁。n 特征(tzhng)：中子(zhngz)與原子核之間的相互作用與射線相似；在一次相互作用中失去部分能量、或被吸收；在單位路程上具有一定的相互作用幾率，用截面描述；沒有射程的概念。 中子與原子核的作用，根據中子能量，可產生各種作用過程，用s、

15、s、和f，分別表示彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲和裂變的截面。n 表示方式： 中子在介質中與介質原子的電子發(fā)生相互作用可忽略不計。第29頁/共39頁第二十九頁，共39頁。 總截面t應是所有可能各種反應截面之和：.fsst 其中輻射俘獲和裂變等反應使中子被吸收，這些反應截面之和a定義為中子被吸收截面，即：.fan 宏觀(hnggun)截面： 中子和原子核的反應截面，在中子物理中常稱為(chn wi)微觀截面。 微觀截面和靶物質(wzh)單位體積內原子核數N的乘積，稱為宏觀截面，用符號表示：NttN稱為宏觀總截面。aaN稱為宏觀吸收截面。ssN稱為宏觀散射截面。第30頁/共39頁第三十頁，共39頁

16、。n 宏觀(hnggun)截面的物理意義：中子束通過靶子的情形 考慮有一靶，其厚度為D，如右圖所示。 初始(ch sh)入射中子束的強度為I0，穿過x距離后，中子束的強度變成I(x)。再穿過距離dx后，中子束的強度將進一步的減弱，強度的變化為：NdxxIxdIt)()(上式除以I(x)，得到(d do)：dxxIxdIt)()(面上的中子數入射到內發(fā)生反應的中子數在dxdxxIxdI)()(中子在xx+dx內，與靶核發(fā)生相互作用的概率dxxIt)(第31頁/共39頁第三十一頁，共39頁。dxxIxdIt)()(中子束通過靶子的情形 tdx是中子在dx距離內與靶核發(fā)生作用(zuyng)的概率。t

17、的物理(wl)意義：中子在靶內單位程長中發(fā)生相互作用的概率。 a和s的物理(wl)意義：宏觀吸收截面a=Na的物理意義： 表示中子穿過物質單位厚度被吸收的概率。宏觀散射截面s=Ns的物理意義： 表示中子穿過物質單位厚度被散射的概率。宏觀截面的常用單位是cm-1。第32頁/共39頁第三十二頁，共39頁。n 宏觀(hnggun)截面的計算： 如前所述，微觀(wigun)截面和靶物質單位體積內原子核數N的乘積，稱為宏觀截面，用符號表示：N 靶由單一(dny)核素構成： 對靶物質只含一種元素的單一物質，其單位體積內原子核數N：式中：是物質的密度，A是質量數，NA是阿伏加德羅常數。ANAN則對應的宏觀截

18、面為：ANAN第33頁/共39頁第三十三頁，共39頁。 靶由多原子分子(fnz)構成： 對于多原子分子(fnz)，設分子(fnz)量為A，每個分子(fnz)中第i種原子的數目為li，則單位體積內第i 種原子的總數Ni為：AiiNAlN 設i是中子和第i 種原子核發(fā)生某種反應(fnyng)的微觀截面，則相應的宏觀截面為：.)(2211llANlANNAlNAiiiAiiAiiii 動能為1eV的中子，在氫核上的微觀散射截面是20b，在氧核上的微觀散射截面是3.8b，水的密度=1g/cm3，分子量是18，這時中子在水中的宏觀散射截面值是多少？例題：第34頁/共39頁第三十四頁，共39頁。iiiAslAN1242423)108 . 3110202(181002. 61cm15 . 1cm 即表明動能為1eV的中子，在水中經過1cm距離時平均(pngjn)受到1.5次散射。 解：H2O的分子量為18，一個(y )水分子中含2個H原子、1個O原子，則有：第35頁/共39頁第三十五頁，共39頁。n 窄中子束的衰減(shui jin)規(guī)律：N