射線與物質(zhì)的相互作用-1(碩)

電離輻射與物質(zhì)相互作用上海交通大學(xué)王德忠教授2013年3月13日作用機(jī)理電離輻射作用于物質(zhì)，所引起的某些物理、化學(xué)變化，或作用于生物體時(shí)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，幾乎都是通過帶電粒子把能量傳遞給物質(zhì)所引起的。帶電粒子的種類很多，最常見的有電子、β射線、質(zhì)子、α粒子等。凡靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子，稱為重帶電粒子，如μ介子、α粒子、被加速的原子核等。β射線和電子本質(zhì)上是相同的，通常所說的電子是指核外電子，而β射線則是指原子核發(fā)射出來的高速電子。重帶電粒子μ介子是一種帶負(fù)電，質(zhì)量為電子207倍的基本粒子，壽命2.20微秒，質(zhì)量為106MeV/c2。π介子是以下三種次原子粒子之一：π+、π0和π?，π介子是最重要的介子之一，在揭示強(qiáng)核力的低能量特性中起著重要的作用。

π±：質(zhì)量139.6MeV/c2，平均壽命2.6×10-8s

π0：質(zhì)量135MeV/c2，平均壽命8.4×10-17

sα粒子是一種放射性粒子，由兩個(gè)質(zhì)子及兩個(gè)中子組成，并不帶任何電子，亦即等同于氦-4的內(nèi)核，或電離化后的氦-4，He2+。射線與物質(zhì)相互作用的分類

帶電粒子輻射不帶電粒子輻射重帶電粒子中子快電子X-射線和

γ-射線重帶電粒子與物質(zhì)相互作用作用類型作用類型非彈性散射彈性散射入射粒子相對(duì)于核的質(zhì)量愈大，則散射愈小，對(duì)于重帶電粒子，散射現(xiàn)象不太明顯電離激發(fā)損失能量的主要過程作用過程帶電粒子與物質(zhì)相互作用的過程是復(fù)雜的，主要過程是電離和激發(fā)，彈性散射和軔致輻射。其他過程有湮滅輻射、契倫科夫輻射、核反應(yīng)以及引起物質(zhì)化學(xué)變化等。電離：殼層電子獲得足夠能量，克服原子核的束縛成為自由電子，原子便被分離成一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子(合稱離子對(duì))的過程。正離子e-庫侖作用+自由電子電離帶電粒子與靶原子的核外電子的非彈性碰撞導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)，這種電離稱為原電離由原電離產(chǎn)生的電子如果具有足夠的動(dòng)能，它也能使原子電離，這種電離稱為次電離帶電粒子在單位路程上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為比電離，比電離應(yīng)包括原電離和次電離產(chǎn)生的離子對(duì)激發(fā)激發(fā)：殼層電子獲得的能量較小，不足以使它脫離原子的束縛而成為自由電子，但由能量較低的軌道躍遷到較高的軌道上去的現(xiàn)象處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地躍回基態(tài)，這個(gè)過程叫退激。退激時(shí)，多余的能量常以光子形式釋放出來彈性散射彈性散射：帶電粒子與被通過介質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用，只改變運(yùn)動(dòng)方向，不改變能量。方向改變的大小與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān)，入射粒子相對(duì)于核的質(zhì)量愈大，則散射愈小。重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

能量低于100eV時(shí)，重帶電粒子通常與核外電子發(fā)生彈性碰撞重帶電粒子與核外電子主要發(fā)生非彈性碰撞，可使原子發(fā)生電離或激發(fā)無論是電離或是激發(fā)都會(huì)導(dǎo)致重帶電粒子損失動(dòng)能，使其速度逐漸減慢直到最后停止運(yùn)動(dòng)平均電離能：使一個(gè)原子電離所需要的平均能量碰撞損失能量指帶電粒子與原子中電子碰撞損失的能量假設(shè)：帶電粒子運(yùn)動(dòng)較快；轉(zhuǎn)移的能量大于電子的束縛能；電子靜止且自由；碰撞為彈性碰撞滿足動(dòng)能守恒，動(dòng)量守恒μ介子與電子碰撞

M=207m因此μ介子與物質(zhì)反應(yīng)時(shí)的路徑呈直線（與原子核的大角度反射除外）所有的重帶電粒子與此相似若電子質(zhì)量為m，π介子=270m，質(zhì)子=1836m帶電粒子的能量損失一定能量的帶電粒子進(jìn)入物質(zhì)后，通過多次彈性和非彈性碰撞過程，其能量逐步減少，帶電粒子速度被慢化。帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失與帶電粒子的種類、能量及吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。單位路徑上帶電粒子損失的能量稱為帶電粒子能量損失率，或稱為物質(zhì)對(duì)帶電粒子的阻止本領(lǐng)，用符號(hào)-dE/dX表示。阻止本領(lǐng)對(duì)于重帶電粒子而言，其與物質(zhì)反應(yīng)只發(fā)生彈性碰撞、電離和激發(fā)反應(yīng)，因此阻止本領(lǐng)是兩種成分的疊加：一部分是電子阻止本領(lǐng)，是入射粒子的能量轉(zhuǎn)移給靶物質(zhì)原子中的電子；另一部分是核阻止本領(lǐng)，就是能量轉(zhuǎn)移給靶物質(zhì)中的原子核。原子核對(duì)入射離子的阻止作用稱為核阻止。電子阻止核阻止阻止本領(lǐng)曲線阻止本領(lǐng)在低能區(qū)，電子阻止本領(lǐng)隨粒子速度減少而減少，一直降到零，而核阻止本領(lǐng)(-dE/dxn)卻隨速度的減少而很快增加（1/v2），核阻止本領(lǐng)超過電子阻止本領(lǐng)、達(dá)到最大值，最后再降到零。在高能區(qū)，對(duì)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玻爾速度(2.2×106m/s)的重帶電粒子，核阻止本領(lǐng)是電子阻止本領(lǐng)的數(shù)千分之一。對(duì)于能量為10keV的質(zhì)子來說，核阻止的貢獻(xiàn)約占總能量損失的1-2%，能量再高，這種貢獻(xiàn)更小，因而可忽略這部分貢獻(xiàn)。帶電粒子的能量損失電離能量損失：理論計(jì)算表明，當(dāng)一個(gè)帶電量為ze，質(zhì)量為me，速度為v的帶電粒子進(jìn)入原子序數(shù)為Z的物質(zhì)時(shí)，其電離損失率為me為電子的靜止質(zhì)量；N為單位體積物質(zhì)中的原子數(shù)；B為阻止系數(shù)，它與入射粒子的種類和能量有關(guān)。對(duì)于重帶電粒子，有效原子序數(shù)對(duì)應(yīng)于某種混合物或化合物的一個(gè)原子序數(shù)，該混合物或化合物與光子的相互作用和具有這一原子序數(shù)的單一元素與光子的相互作用是相同的混合物或化合物原子序數(shù)：Z1，Z2，……，Zk相應(yīng)電子數(shù)百分組成：N1，N2，……，Nk有效原子序數(shù)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式電子阻止本領(lǐng)電離能量損失又稱為電子阻止本領(lǐng)z：重帶電粒子的電荷數(shù)；e：一個(gè)電子的電量，等于1.602×10-19C;Z：物質(zhì)的有效原子序數(shù)；N：物質(zhì)在單位體積中包含的原子數(shù)目；c：光速；v：重帶電粒子的速度；me：電子的靜止質(zhì)量；I：物質(zhì)原子中電子的平均等效電離電位。電子阻止本領(lǐng)(-dE/dx)ion與重帶電粒子電荷數(shù)的平方成正比如果α粒子和質(zhì)子的速度相等，物質(zhì)對(duì)α粒子的阻止本領(lǐng)是對(duì)質(zhì)子阻止本領(lǐng)的4倍帶電粒子電荷愈多，能量損失率愈大，穿透能力愈弱(-dE/dx)ion與帶電粒子的質(zhì)量無關(guān)重帶電粒子的質(zhì)量比電子質(zhì)量至少大1800倍。兩者相比可以近似地被看成是無窮大重帶電粒子質(zhì)量的確切數(shù)值對(duì)阻止本領(lǐng)沒有影響電子阻止本領(lǐng)(-dE/dx)ion與重帶電粒子的速度有關(guān)當(dāng)速度較小時(shí)，可以近似地認(rèn)為電離能量損失率與速度的平方成反比，對(duì)數(shù)項(xiàng)的數(shù)值影響不大當(dāng)速度比較高時(shí)，1/v2項(xiàng)變化很小，對(duì)數(shù)項(xiàng)的影響較大(-dE/dx)ion與物質(zhì)的密度NZ成正比物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對(duì)重帶電粒子的阻止本領(lǐng)也越大阻止截面

每個(gè)原子對(duì)重帶電粒子的阻止本領(lǐng)可稱為原子對(duì)重帶電粒子的阻止截面Σe（單位是MeV·cm2）N是單位體積的原子數(shù)目對(duì)于包含K種元素的物質(zhì)來說，重帶電粒子在單位路程上的電離能量損失可用下式計(jì)算ρ：物質(zhì)的密度；wi：第i種元素的重量百分?jǐn)?shù)；Ai：第i種元素的原子量；N∞：阿佛加德羅常數(shù)；Σi：第i種元素原子的阻止截面重帶電粒子在物質(zhì)中的射程如果不指明在哪種物質(zhì)中，而只是說“射程”多少，就是指粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣中的射程。帶電粒子進(jìn)入物質(zhì)直到被吸收，沿入射方向所穿過的最大距離稱為帶電粒子在物質(zhì)中的射程。能量為E0（相應(yīng)速度為v0）的入射帶電粒子在物質(zhì)中的射程為：射程和路徑的區(qū)別帶電粒子的射程和路程

重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。射程與能量的關(guān)系相同能量的同一種帶電粒子在不同物質(zhì)中的射程有經(jīng)驗(yàn)公式：ρa(bǔ)和ρb、Aa和Ab分別為物質(zhì)a和物質(zhì)b的密度與相對(duì)原子量粒子在空氣中的射程E為粒子能量，單位為MeV不同吸收物質(zhì)中的射程

同一粒子在不同吸收物質(zhì)中的射程可按Brag-Kleeman公式計(jì)算，誤差在15%以內(nèi)，此公式是R、ρ、A分別表示粒子射程(cm)、吸收物質(zhì)的密度(g/cm3)和原子量；1、2、3表示物質(zhì)的種類在其它物質(zhì)中的射程R可用在空氣中的射程Rair進(jìn)行換算，其公式如下A和ρ分別表示吸收物質(zhì)原子的質(zhì)量數(shù)和密度（單位為g/cm3）,R的單位為cmα粒子在三種物質(zhì)中的射程吸收物質(zhì)α粒子能量(MeV)5678910射程(μm)空氣生物組織鋁3.5×10343234.6×10356305.9×10372387.4×10391488.9×1031105810.4×10313069等效原子量

對(duì)于由多種元素組成的物質(zhì)，其等效原子量Aeff應(yīng)由下式計(jì)算：Ai和wi分別是第i種元素的原子量和相對(duì)含量對(duì)210Po放射源發(fā)射的α粒子，在空氣中的射程在肌肉內(nèi)的射程射程歧離一組單能粒子射程的平均值稱為平均射程。相同能量的粒子在同一種物質(zhì)中的射程并不完全相同，這種現(xiàn)象稱為射程歧離。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因——每兩次碰撞間粒子穿過的距離以及每次碰撞使帶電粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一個(gè)定值。由于每個(gè)粒子都必須經(jīng)過多次的碰撞，因此，各個(gè)粒子的射程間的相互差別并不很大。重帶電子粒子的射程漲落一般都很小。角度岐離由于粒子與靶原子核碰撞時(shí)經(jīng)歷小角度偏轉(zhuǎn)，多次碰撞導(dǎo)致粒子偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，這種過程也是隨機(jī)的。有的偏離大，有的偏離小。角度歧離現(xiàn)象示意圖快速電子與物質(zhì)相互作用快速電子與物質(zhì)的相互作用

快速電子包括β射線（正電子和電子）和單能電子束。由于電子的靜止質(zhì)量約是α粒子的1/7000，所以它與物質(zhì)相互作用及在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡都與重帶電粒子有很大差異。快速電子與物質(zhì)主要發(fā)生三種相互作用：彈性散射、非彈性散射和軔致輻射。一般考慮電離損失和軔致輻射損失。電子與原子核庫侖場(chǎng)作用發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射，能量為幾個(gè)MeV的電子在鉛中的軔致輻射能量損失率接近電離損失率。彈性散射電子穿過物質(zhì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向的改變主要是由于原子核的庫侖力作用而發(fā)生的彈性碰撞結(jié)果，發(fā)生彈性碰撞時(shí)電子的能量變化很小，但電子的運(yùn)行方向變化很大。電子愈靠近原子核，散射愈厲害，散射角也愈大。電子穿過物質(zhì)時(shí)先后受到許多原子核的彈性散射作用，稱為“多次散射”。電子在物質(zhì)中的行程較大，散射次數(shù)愈多，電子的偏轉(zhuǎn)就顯著。電子經(jīng)過多次散射，最終散射角可以大于90°，甚至可能是折返回去，這種大于90°的散射稱為反散射。非彈性散射快速電子通過物質(zhì)時(shí)，它與物質(zhì)原子的殼層電子發(fā)生碰撞，而體系動(dòng)能不守恒入射電子將自己的一部分能量給予原子殼層電子，使原子發(fā)生電離或激發(fā)電子-電子碰撞：實(shí)質(zhì)上是靜電相互作用軔致輻射(Bremsstrahlung)入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射軔致輻射。它是X射線的一種，具有連續(xù)的能量分布。這種作用隨粒子的能量增加而增大，與粒子的質(zhì)量平方成反比，與被通過介質(zhì)的原子序數(shù)Z的平方成正比。軔致輻射電子打在熒光屏上產(chǎn)生X射線-軔致輻射X射線達(dá)到電視機(jī)顯像管產(chǎn)生熒光特征:X射線能量連續(xù)0-EMax(電子能量)電視機(jī)高壓15kV電子束能量15keVX射線能量0-15keV產(chǎn)生機(jī)制原子核軔致輻射研究的意義

X射線產(chǎn)生裝置的X射線連續(xù)譜就是快速電子在厚靶中的軔致輻射譜；放射源的防護(hù)必須考慮具有連續(xù)能量的粒子的軔致輻射的能量分布；電子加速器的防護(hù)更必須考慮軔致輻射；在能譜測(cè)量中必須考慮軔致輻射對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜和本底的影響等等。湮滅輻射(Annihilation)一個(gè)粒子與其相應(yīng)的反粒子發(fā)生碰撞時(shí)，其質(zhì)量可能轉(zhuǎn)化為光輻射，這種輻射稱為湮滅輻射。湮滅輻射與兩個(gè)碰撞粒子之間遵循質(zhì)量守恒和能量守恒定律。湮滅輻射當(dāng)β+粒子與物質(zhì)作用，正電子(e+)的速度接近于零時(shí)，與附近原子中的電子（e-）結(jié)合，正負(fù)電荷抵消，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反，能量各為0.511Mev的γ光子而自身消失的過程稱為湮滅輻射或光化輻射。湮滅輻射正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制與電子相同，即電離損失和輻射損失。不同點(diǎn)在于：高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化，然后在正電子徑跡的末端，即停下來的瞬間與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅，放出γ光子；或者，它與介質(zhì)中的一個(gè)電子結(jié)合成正電子束，即電子-正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再湮滅，放出γ光子。正電子湮滅放出光子的過程稱為正電子湮滅，放出的光子稱為湮滅光子。湮滅輻射從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮滅時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮滅光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：從動(dòng)量守恒出發(fā)：湮滅前正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零，則，湮滅后兩個(gè)湮滅光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零，即：湮滅輻射兩個(gè)湮滅光子的能量相同，均等于0.511MeV兩個(gè)湮滅光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的能量損失快速帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)總的能量損失率應(yīng)是碰撞能量損失率（電離與激發(fā)）與輻射能量損失率之和碰撞能量損失和輻射能量損失率之比為：一般情況下所涉及快電子的能量E一般不超過幾個(gè)MeV，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)的吸收材料中才是重要的。碰撞能量損失率電子與原子核外電子發(fā)生碰撞，使原子電離或激發(fā)，在此過程中損失的能量為碰撞能量損失。碰撞能量損失率公式：其中β等于v/c輻射能量損失率在單位路程上由于軔致輻射而損失的能量稱為輻射能量損失率，可用符號(hào)(-dE/dx)rad表示(-dE/dx)rad與帶電粒子的質(zhì)量M、電荷數(shù)z、動(dòng)能E、吸收物質(zhì)等的關(guān)系可用下式表示：式中，N和Z分別為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)目及原子序數(shù)輻射能量損失率輻射能量損失率和帶電粒子的靜止質(zhì)量的平方成反比，重帶電粒子的輻射能量損失率是很小的，只有電子才需要考慮輻射損失。輻射能量損失率和吸收物質(zhì)原子的原子序數(shù)Z的平方成正比，所以，重物質(zhì)比輕物質(zhì)更易產(chǎn)生軔致輻射。在使用重物質(zhì)防護(hù)電子時(shí)，必須考慮在擋住電子的同時(shí)所產(chǎn)生的軔致輻射。輻射能量損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加，這是與電離損失的情況不同的。電離效應(yīng)比較電離作用∝

Z1Z2/v2Z1

入射粒子原子序數(shù)Z2

靶粒子原子序數(shù)v入射粒子速度相近能量下，電子速度遠(yuǎn)大于重帶電粒子αα電離作用強(qiáng)，電離作用嚴(yán)重，產(chǎn)生離子對(duì)數(shù)目多電子是弱電離粒子1MeV的α粒子和電子的比電離密度分別為6×104離子對(duì)/cm和45離子對(duì)/cmα射線β射線徑跡粗直細(xì)彎快電子射程單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm與其能量E(MeV)之間的關(guān)系β粒子的能量是從零到Eβ最大連續(xù)分布，所以各個(gè)β粒子的射程差別很大。即使是初始能量相同的一束電子，由于它們?cè)陔婋x過程中損失的能量漲落很大，同時(shí)還存在軔致輻射和多次散射，因而它們?cè)谕晃镔|(zhì)中經(jīng)過直線距離差別也是很大的。不能用α粒子平均射程的概念

來說明β粒子的情況

為何不能用α粒子那樣的平均射程的概念來說明β粒子的情況電子在水中的徑跡5keV電子在水中的三維徑跡10個(gè)740keV的電子在水中的徑跡路徑與射程的比較5keV電子在水中的徑跡5keV電子在水中強(qiáng)迫直線運(yùn)動(dòng)的徑跡β射線的防護(hù)對(duì)于能量為幾MeV的電子或β射線來說，電離能量損失仍是主要的；10MeV的β粒子在鉛中的輻射能量損失僅占能量總損失率的16%；在對(duì)β射線的防護(hù)中需要考慮輻射能量損失，在β射線測(cè)量時(shí)對(duì)于軔致輻射造成的本底計(jì)數(shù)也不能忽略；為了減少軔致輻射的本底干擾，在用于屏蔽宇宙β射線的鉛室內(nèi)部宜采用原子序數(shù)低的材料作為內(nèi)壁和探測(cè)器支架。射線與物質(zhì)相互作用本質(zhì)-電磁輻射特征γ射線：湮滅輻射：核能級(jí)躍遷正電子湮滅產(chǎn)生特征X射線：原子能級(jí)躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運(yùn)動(dòng)方向改變產(chǎn)生γ射線和帶電粒子與物質(zhì)的相互作用不同之處帶電粒子通過使吸收物質(zhì)的原子產(chǎn)生電離激發(fā)以及通過軔致輻射來損失能量，而每次碰撞所損失的能量是很小的，需經(jīng)過多次碰撞才損失全部能量。因此用能量損失率來描述帶電粒子在物質(zhì)中相互作用的行為。γ射線與物質(zhì)的相互作用一次就可能損失全部能量或大部分能量，而與物質(zhì)未發(fā)生相互作用的射線將保持初始的能量穿過物質(zhì)，因此用作用截面來描述它與物質(zhì)的相互作用。作用過程γ光子是通過初級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時(shí)產(chǎn)生次級(jí)電子初級(jí)效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。γ射線次級(jí)電子物質(zhì)原子電離三種作用效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)電離效應(yīng)光電效應(yīng)的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律1899-1902年，勒納德研究光電子從金屬表面逸出時(shí)的能量，在電極間加一可調(diào)節(jié)反向電壓，直到使光電流截止，從反向電壓的截止值，可以推算電子逸出金屬表面時(shí)的最大速度。選用不同的金屬材料，不同的光源照射，對(duì)反向電壓的截止值進(jìn)行了研究。光電效應(yīng)-Photoelectriceffect1887年，赫茲在做證實(shí)麥克斯韋電磁理論的火花放電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。兩套放電電極，一套產(chǎn)生振蕩，發(fā)出電磁波；另一套接收。如果接收電極受到紫外線的照射，就變得容易產(chǎn)生。1888年，德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯證實(shí)，火花放電是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了荷電體的緣故。1899年，J?J?湯姆孫發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的光電流和陰極射線一樣是電子流。這一現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于光（特別是紫外光）照射到金屬表面使金屬內(nèi)部的自由電子獲得更大的動(dòng)能，因而從金屬表面逃逸出來的一種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)規(guī)律每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí)，無論多強(qiáng)的光都無光電子逸出。光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。光電效應(yīng)的瞬時(shí)性：只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，響應(yīng)時(shí)間不超過s（1ns）。入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積逸出的光電子數(shù)目。

與經(jīng)典理論的矛盾在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強(qiáng)度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的第一、第二兩點(diǎn)顯然用經(jīng)典理論無法解釋。第三條也不能解釋，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典理論，對(duì)很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個(gè)能量積累的過程而不可能瞬時(shí)產(chǎn)生光電子。1905年，愛因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文中，用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。愛因斯坦把普朗克的量子化概念進(jìn)一步推廣。他指出：不僅黑體和輻射場(chǎng)的能量交換是量子化的，而且輻射場(chǎng)本身就是由不連續(xù)的光量子組成，每一個(gè)光量子的能量與輻射場(chǎng)頻率之間滿足ε=hν，即它的能量只與光量子的頻率有關(guān)，而與強(qiáng)度（振幅）無關(guān)。根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，光實(shí)質(zhì)上是具有能量ε=hν的光子流。光的頻率過低，即光子流中每個(gè)光子能量較小，當(dāng)照射到金屬表面時(shí)，電子吸收了這一光子，增加的能量仍然小于電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光的頻率高到能使電子吸收后其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。逸出電子的動(dòng)能、光子能量和逸出功之間的關(guān)系表示成：光子能量=被發(fā)射的電子的動(dòng)能+移出一個(gè)電子所需的能量（逸出功）

光電效應(yīng)-Photoelectriceffecth：普朗克常數(shù)v：光的頻率m：光電子質(zhì)量ve：光電子初始速度φ：逸出功，指從原子鍵結(jié)中移出一個(gè)電子所需的最小能量v0：光電效應(yīng)的極限頻率光電效應(yīng)-Photoelectriceffect光子與原子中的一個(gè)束縛電子作用，把能量全部交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，稱為光電子，光子消失光電效應(yīng)的幾率與Z4/(hv)3成正比光子能量越低，物質(zhì)原子序數(shù)越大，發(fā)生光電效應(yīng)的幾率也越高作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動(dòng)能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了γ+A→A*+e-（光電子）原子↓

A+X射線（或俄歇電子）自由電子原子受激原子激發(fā)態(tài)退激原子的內(nèi)殼層失掉一個(gè)電子以后，就處于激發(fā)態(tài)，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，很快退激回到基態(tài)。退激的方式有兩種：一種是外殼層電子向內(nèi)殼層空位填補(bǔ)使原子回到基態(tài)，躍遷時(shí)多余的能量以特征X射線的形式釋放出來；另一種是多余的激發(fā)能直接使外層電子從原子中發(fā)射出來，這樣發(fā)射出來的電子稱為俄歇電子。光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)對(duì)于靜止電子，假設(shè)能夠發(fā)生光電效應(yīng)，則系統(tǒng)中的能量與動(dòng)量守恒，在相對(duì)論下：其中，公式變形當(dāng)β=0，γ=1時(shí)，公式有唯一的零解hv=0必須有原子核或者其他電子來參與才能保證能量和動(dòng)量的守恒?？灯疹D效應(yīng)-ComptonEffect康普頓效應(yīng)是光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子把部分能量轉(zhuǎn)給電子使其從原子內(nèi)部反沖出來，而能量降低了的光子沿著與原來運(yùn)動(dòng)方向不同的角度散射出去。當(dāng)光子的能量為0.5-1.0MeV時(shí)，該效應(yīng)比較明顯?？灯疹D效應(yīng)從原子中反沖出來的電子稱康普頓電子或反沖電子。能量變低后的光子稱為散射光子，原來的光子稱為入射光子?？灯疹D效應(yīng)中光子只是損失部分能量，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，康普頓效應(yīng)發(fā)生在束縛得最松的外層電子上。光子和束縛電子之間發(fā)生的康普效應(yīng)嚴(yán)格來講是一種非彈性碰撞。這種效應(yīng)總是發(fā)生在外層電子上，而外層電子的電離能量較小，一般是電子伏數(shù)量級(jí)，與入射光子能量相比，完全可以忽略?？梢园淹鈱与娮涌醋魇恰白杂呻娮印?，這樣就可以把康普頓效應(yīng)看成是光子與處于靜止?fàn)顟B(tài)的自由電子之間的彈性碰撞。散射角和反沖角入射的γ光子相對(duì)于原來的運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度θ，光子將其一部分能量傳遞給電子，使電子獲得能量而脫離原來的束縛發(fā)射出來，該電子稱為反沖電子或康普頓電子。散射光子運(yùn)動(dòng)方向與入射光子入射方向之間的夾角θ稱為散射角。反沖電子發(fā)射方向與入射光子入射方向夾角φ稱為反沖角?？灯疹D效應(yīng)-ComptonEffect1922年，康普頓使用鉬元素的特征X射線（17.4keV，波長0.714埃）照射石墨，并測(cè)量了不同角度的散射光子的波長實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：Δλ只與折射角有關(guān)，與波長無關(guān)康普頓效應(yīng)-ComptonEffect光子與靜止、自由電子碰撞則系統(tǒng)能量守恒系統(tǒng)在水平和垂直方向上動(dòng)量守恒康普頓效應(yīng)-ComptonEffect上述公式變化得到因此對(duì)于φ，可以得到由于則

散射光子和反沖電子的關(guān)系根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒定律，并利用相對(duì)論的能量和動(dòng)量公式可以得到散射光子和反沖電子的能量E`γ、E∞、φ與θ之間的關(guān)系如下：θ=0o，hv=hv’，光子沒有能量損失，光子從電子近旁掠過；θ=180o，hv’達(dá)到最小值，反沖電子的動(dòng)能達(dá)到最大值，光子與電子正面碰撞，散射光子向相反方向飛出，反射電子沿入射光子方向飛出，稱為反散射。電子對(duì)效應(yīng)-PairProduction當(dāng)γ光子能量大于1.02MeV時(shí)，γ光子有可能在原子核的庫侖場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)化成為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，光子本身消失，這種過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。正負(fù)電子對(duì)的能量：只有當(dāng)γ射線能量大于時(shí)才可能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)湮滅輻射-annihilation電子對(duì)產(chǎn)生中的正電子和電子與物質(zhì)的原子又發(fā)生相互作用，負(fù)電子最終被物質(zhì)吸收（物質(zhì)厚度大于該電子的射程）正電子在損失其絕大部分能量后和周圍物質(zhì)達(dá)到熱平衡時(shí)與物質(zhì)中的一個(gè)電子發(fā)生湮滅，放出兩個(gè)能量均為0.511MeV的γ光子，這種現(xiàn)象稱為電子對(duì)的湮滅，湮滅時(shí)放出的光子叫湮滅光子。湮滅輻射光子的能量由于在湮滅時(shí)，正負(fù)電子的動(dòng)能為零，根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，兩個(gè)光子的能量之和為正、負(fù)電子的靜止量，從而導(dǎo)出湮滅產(chǎn)生的兩個(gè)0.511MeV光子的動(dòng)量也相同，且飛向相反方向。電子對(duì)效應(yīng)必須在有原子核或電子參與下才能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒定律。正負(fù)電子對(duì)的動(dòng)能電子對(duì)效應(yīng)中正負(fù)電子取得的動(dòng)能之和應(yīng)為：

(hv-2mec2-?)?是參加作用的原子核的反沖動(dòng)能，通常可以忽略不計(jì)正電子和負(fù)電子的總動(dòng)能為(hv-2mec2)正電子（或負(fù)電子）的動(dòng)能可能是從零到(hv-2mec2)范圍內(nèi)的各種數(shù)值。作用截面

當(dāng)γ射線穿過一定厚度的物質(zhì)時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)是以一定幾率出現(xiàn)的，通常用截面這個(gè)物理量來表