射線與物質(zhì)的相互作用

射線與物質(zhì)的相互作用

堪培拉北京代表處射線與物質(zhì)的相互作用具有一定動能的射線會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，叫做致電離輻射。第一節(jié)概述第二節(jié)重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)快電子與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用第一節(jié)概述一．致電離輻射的種類二．彈性碰撞和非彈性碰撞三．帶電粒子在物質(zhì)中的慢化一、致電離輻射的種類帶電粒子輻射

非帶電粒子輻射

快電子：，；電磁輻射：γ、Χ射線；

重帶電粒子－中子n；致電離輻射：能量大于~10eV量級的射線。我們以后提到的“輻射”或“射線”，均指“致電離輻射”。二．彈性碰撞和非彈性碰撞相互作用過程中，滿足能量守恒：

當E=0時，彈性碰撞；當E0時，非彈性碰撞；

E>0時，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，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。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，其中前兩個過程是主要的：(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。δ電子。激發(fā)——使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是帶電粒子在物質(zhì)中損失動能的主要方式。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，同時發(fā)射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動能的一種重要方式。(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)；入射粒子損失一部分動能，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。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。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：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，同時使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；其運動徑跡近似為直線。與核外電子的非彈性碰撞；與原子核的非彈性碰撞。一、電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。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)。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，可認為在碰撞后入射帶電粒子仍按原方向運動。

根據(jù)量子理論，并考慮了相對論修正。推導出來的重帶電粒子電離能量損失率的精確表達式稱為Bathe-Block公式：一、電離損失率Bathe-Block公式：

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；

β=v/c

為重粒子速度與真空中光速之比。一、電離損失率Bathe公式的幾點討論：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)。2、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，例如，相同速度的p與，S=4Sp

。一、電離損失率3、S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比，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，S1/v2；

v2較大，相對論效應(yīng)，對數(shù)項增大，S上升

；

v2很小，電荷交換效應(yīng)，俘獲；

v2極小，核阻止作用。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的情況。第三節(jié)快電子與物質(zhì)的相互作用特點：

1、運動速度大；

2、電離損失，輻射損失；

3、碰撞中能量轉(zhuǎn)移大，方向改變大(散射嚴重)?？焖匐娮樱篹，。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)時的電離損失率：快速電子在物質(zhì)中穿透本領(lǐng)比重帶電粒子大得多。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：輻射損失的方式是發(fā)出韌致輻射。

帶電粒子穿過物質(zhì)時受到物質(zhì)原子核的庫侖作用，速度大小和運動方向都發(fā)生變化，這時伴隨發(fā)射電磁波。稱之為軔致輻射。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；僅對電子才重點考慮。2、輻射損失率與靶物質(zhì)NZ2成正比。當電子能量高以及吸收材料原子序數(shù)大時，輻射損失更顯著。為吸收、屏蔽射線時不宜選用重材料。但為獲得強的射線，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。一、快電子的能量損失率快速電子總的能量損失：入射電子能量高，輻射損失起主要作用；入射電子能量低，電離損失起主要作用。例如：靶物質(zhì)Pb，Z=82，當Ee~9MeV，兩者相當。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，強度減弱的現(xiàn)象。特點：

電子的路程遠大于射程；電子的射程有較大歧離。二、吸收與射程1、單能電子束的吸收最大吸收厚度R0二、吸收與射程2、射線的吸收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)坐標中近似為直線。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：R~Emax

，(mm,MeV)Al：R~2Emax

，(mm,MeV)Air：R~400Emax

，(cm,MeV)對比：4MeV在空氣中的射程約為2.5cm。當0.15MeV<Eβmax<0.8MeV時，當0.8MeV<Eβmax<3MeV時，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)射出來。定義：反散射系數(shù)，

E小，大；

Z大，大。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電子的，其能量損失率及射程也與初始能量相同的負電子相同。正電子在物質(zhì)中也會發(fā)生電離損失、輻射損失。處于熱能的正電子會與吸收物質(zhì)中的電子發(fā)生正電子湮沒。第四節(jié)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，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．射線的吸收一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)特征：1、光電子動能等于光子能量與結(jié)合能之差：通常，所以，光子與一個原子作用，把能量全部交給原子，使一個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。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”。一、光電效應(yīng)當hv<<m0c2，即非相對論情況

當hv>>m0c2，即相對論情況其中，=1/137,稱為Thomson截面。一、光電效應(yīng)總光電截面ph：光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層上：吸收邊(限)一、光電效應(yīng)結(jié)論：（1）σph∝Z5。對于選擇探測器的探測介質(zhì)時采用高原子序數(shù)材料，一提高探測效率。對防護、屏蔽γ射線時同樣采用高Z材料。（2）光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小。一、光電效應(yīng)4、光電子的角分布入射能量增加，最大截面向小角度方向移動。在=0和=180方向上沒有觀察到光電子。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)。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：根據(jù)動量守恒：二、康普頓散射聯(lián)解得到康普頓移動：解得：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。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h<<m0c2時，h’~h，湯姆孫散射。當h>>m0c2時，Ee~h

。二、康普頓散射康普頓散射總截面：整個原子的康普頓散射總截面：當h<<m0c2時，其中，二、康普頓散射當h>>m0c2時，二、康普頓散射反沖電子能量分布：與入射光子能量h相差~200keV。康普頓邊緣：康普頓坪連續(xù)分布。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)化成為正負電子對。1、能量關(guān)系從能量守恒：電子對效應(yīng)發(fā)生的條件：電子動能范圍：三、電子對效應(yīng)2、電子對效應(yīng)必須在有原子核參加時才能發(fā)生。在電子的庫侖場中也可以發(fā)生電子對效應(yīng)：3、電子對效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒。原子核帶走多余的動量，又不帶走過多的動能。三、電子對效應(yīng)如果吸收物質(zhì)足夠大，吸收的總能量為：正負電子來自何方？不是從原子核中釋放的；如果一個湮沒光子從吸收物質(zhì)逃逸，如果兩個湮沒光子都從吸收物質(zhì)逃逸，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。三、電子對效應(yīng)4、截面當入射光子能量不同時，各種作用截面不同；當h>>m0c2時，三種作用都可能發(fā)生，入射光子與物質(zhì)原子作用的總截面為：小結(jié)：（1）作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來說，吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大，各相互作用截面越大，其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大，康普頓散射變化最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)小結(jié)：（2）三種相互作用截面與能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小，開始時變化劇烈，后基本成反比。電子對效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生。康普頓散射截面開始基本為常數(shù)，隨入射光子能量增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩慢。小結(jié)：（2）三種相互作用與能量的關(guān)系小結(jié)：(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)：小結(jié)：（4）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。康普頓效應(yīng)：散射光子，反沖電子。電子對效應(yīng)：正、負電子，湮沒光子。（5）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。小結(jié)：第五節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用中子的分類：

慢中子：E<1keV，其中：熱中子E~0.0253eV；

中能中子：E~1~100keV；

快中子：E<0.1~20MeV；慢中子(En<1keV)與核發(fā)生相互作用：轉(zhuǎn)移給核的動能很小，反應(yīng)截面很大，對反應(yīng)產(chǎn)物進行測量?？熘凶?En>100keV)與核發(fā)生相互作用：轉(zhuǎn)移給核的動能較大，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。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。中子探測的特殊地位：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、天然硼中10B的含量為19.8%，易濃縮，應(yīng)用最廣。一、核反應(yīng)法反應(yīng)能最大，有利于區(qū)分中子與信號。天然鋰中6Li的含量為7.5%，高濃縮鋰價格昂貴。2、反應(yīng)截面最大；反應(yīng)能最小，不利于區(qū)分中子和信號；天然氦中3He的含量很低，只有1.4104%。3、一、核反應(yīng)法4、反應(yīng)能和反應(yīng)截面都小，用作對含氫正比計數(shù)器進行能量刻度。三種截面與能量的關(guān)系：得到截面的1/v定律：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能，不改變內(nèi)部狀態(tài)，叫做反沖核。反沖核是運動的帶電粒子。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。單位時間單位面積內(nèi)的反沖核數(shù)目：上式：中子通量密度，散射截面，靶原子密度，靶厚度。二、核反沖法當中子能量E<30MeV時，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、有機液體閃爍體等。反沖質(zhì)子法：由動量守恒關(guān)系，在一次反沖中，反沖角度范圍：二、核反沖法當=0時，反沖核的選擇：1、輕核反沖動能大；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=10時，二、核反沖法當=0時，Ep=E

；