快電子的能量損失課件

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在核輻射探測原理中，最基本的是利用帶電粒子在物質(zhì)中對物質(zhì)原子產(chǎn)生的電離和激發(fā)效應(yīng)或快速輕帶電粒子穿過物質(zhì)時的電磁輻射效應(yīng)。第二節(jié)探測帶電粒子的物理性質(zhì)21、電離和激發(fā)2、非彈性碰撞和彈性碰撞3、帶電粒子在物質(zhì)中的慢化一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用3

入射帶電粒子與核外電子之間通過庫侖作用發(fā)生非彈性碰撞，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。

1．電離和激發(fā)電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。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。4

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，與基態(tài)原子碰撞，原子被激發(fā)；

E<0時，與激發(fā)態(tài)原子碰撞。2．彈性碰撞和非彈性碰撞

帶電粒子通過庫侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。5從微觀上看：碰撞機制：與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。碰撞后：入射粒子能量損失；或能量、方向改變后出射；或入射粒子消失，產(chǎn)生新粒子。從宏觀上看：

不管作用機制如何，穿過物質(zhì)的射線強度比入射強度減小。6

入射帶電粒子所帶電荷與原子中核外電子、原子核發(fā)生的庫侖相互作用。

入射帶電粒子在相互作用過程中逐漸慢化。

在入射帶電粒子與電子的一次碰撞中，電子能獲得的最大能量：

質(zhì)子入射時：3．帶電粒子在物質(zhì)中的慢化71）帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞核外電子獲得能量，引起電離和激發(fā)。電離：產(chǎn)生自由電子、正離子，主要在最外層電子。

電子進一步產(chǎn)生電離。激發(fā)：電子躍遷，原子處于激發(fā)態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是重帶電粒子在物質(zhì)中損失動能的主要方式。2）帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞

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。83）帶電粒子與靶原子核的彈性散射

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。4）帶電粒子與核外電子的彈性散射

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。91.重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點2.重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律3.重帶電粒子在物質(zhì)中的射程三、重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用101.重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點重帶電粒子均為帶正電荷的離子；重帶電粒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)；重帶電粒子在介質(zhì)中的運動徑跡近似為直線。112．重帶電粒子在物質(zhì)中能量損失規(guī)律1）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。所以，也叫線性阻止本領(lǐng)。12對重帶電粒子，輻射能量損失率相比小的多，因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。

所以，2）Bethe公式

Bethe公式是描寫電離能量損失率Sion與帶電粒子速度v、電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公式。13假設(shè)：入射粒子與“自由電子”發(fā)生碰撞；入射粒子與“靜止”電子發(fā)生碰撞；入射粒子的電荷態(tài)是確定的。在時間t內(nèi)傳給電子的動量，因此，在全部相互作用中，傳給電子的總動量，

距離入射帶電粒子r的電子受到庫侖力，m0

efyfxfbxom

zevr14由于，

x方向的動量分量為零。所以，

碰撞參數(shù)為b的單個電子獲得的動能，m0

efyfxfbxom

zevr15

入射粒子經(jīng)過dx距離，碰撞參數(shù)為bb+db范圍內(nèi)的電子得到的能量為，

入射粒子在單位距離內(nèi)損失的能量，

bmin對應(yīng)電子獲得最大動能，16

bmax對應(yīng)電子獲得的最小能量，需大于靶原子的平均激發(fā)能I，代入得，改寫為，17Bethe-Block公式：根據(jù)量子理論，并考慮了相對論修正幾點討論：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)，只與電荷與速度有關(guān)。182)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

。3)S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比，4)S與v2的關(guān)系

v2較小，S1/v2；

v2較大，對數(shù)項增大，S上升;v2很小,電荷交換,俘獲電子;

v2極小，核阻止作用。19

2）Bragg曲線與能量歧離

Bragg曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。20能量歧離(EnergyStraggling)：

單能粒子穿過一定厚度的物質(zhì)后，將不再是單能的，而發(fā)生了能量的離散。21Bragg曲線與能量歧離單個粒子的情形：平行粒子粒子束：單能帶電粒子穿過一定厚度物質(zhì)后出現(xiàn)能量歧離。223、重帶電粒子的射程射程R：帶電粒子在物質(zhì)中沿初始入射方向穿過的最大距離。路程：帶電粒子在物質(zhì)中實際經(jīng)過的軌跡。

對重帶電粒子，射程=路程；對輕帶電粒子，射程<路程。射程歧離：能量損失的隨機性引起射程歧離，重帶電粒子百分之幾，輕帶電粒子百分之十幾。23把射程公式改寫為：對重帶電粒子，24幾點討論：1、同種粒子以相同速度，入射在不同物質(zhì)中，如果Z比較接近，電子在硅和碘化鈉中的射程252、不種粒子以相同速度，入射在同物質(zhì)中，3、作為2的特例，當z相同時，例：p、以相同速度入射在同種物質(zhì)中，

m/z2均為1，它們的射程相等。26射程的實驗測量：平均射程R；外推射程Re；最大射程Rmax。源*探測器t27粒子在標準狀態(tài)空氣中的射程，當4MeVE11MeV時，精度為1%。相同能量的同一種粒子,在不同的物質(zhì)中射程關(guān)系:與空氣對比，同樣粒子在其他物質(zhì)中的射程為：28對由多種元素組成的化合物或混合物,其等效原子量為例：210Po，放射源，E=5.3MeV，計算得到：R0=3.8cm。

在人體組織中，R=43m，R=4.3mg/cm2

；而人體皮膚的厚度R=7mg/cm2

。

在Al中，A=27，=2.7，計算得到：R=23.4m。29課堂練習(xí)：計算210Po放射源發(fā)射的α粒子(E=5.304MeV)在水中的射程.30作業(yè)：P42,第2，5題補充作業(yè)：已知質(zhì)子在某介質(zhì)中的電離損失率為A，求相同能量的粒子的電離損失率。31四、快電子與物質(zhì)的相互作用1、快電子與物質(zhì)相互作用的特點；2、快電子的能量損失；3、快電子的吸收與射程。32

1、快電子與物質(zhì)相互作用的特點

快電子的速度大；快電子除電離損失外,輻射損失不可忽略；快電子散射嚴重。332、快電子的能量損失對快電子，必須考慮相對論效應(yīng)時的電離能量損失和輻射能量損失。電子電離能量損失率的Bethe公式：34碰撞損失損失：

帶電粒子穿過物質(zhì)時受物質(zhì)原子核的庫侖作用，其速度和運動方向發(fā)生變化，會伴隨發(fā)射電磁波，即軔致輻射。輻射能量損失率服從：Z、N分別為吸收物質(zhì)的原子序數(shù)和單位體積的原子數(shù)入射粒子的電荷、能量及質(zhì)量35討論：(1)：輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對電子才重點考慮。(2)：輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動能的增加而增加。(3)：輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當吸收材料原子序數(shù)大、密度大時，輻射損失大。當要吸收、屏蔽β射線時，不宜選用重材料。當要獲得強的X射線時，則應(yīng)選用重材料作靶。36電子的兩種能量損失率之比：E的單位為MeV探測學(xué)中所涉及快電子的能量E一般不超過幾個MeV，所以，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)(大Z)的吸收材料中才是重要的。373、快電子的吸收與射程電子的運動徑跡是曲折的。電子的射程和路程相差很大。電子的射程比路程小得多。381)單能電子的吸收與β粒子吸收的差別由于單能電子和β粒子易受散射，其吸收衰減規(guī)律不同于α粒子。但均存在最大射程Rmax。39單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(MeV)之間的關(guān)系：經(jīng)驗公式：40對粒子，當吸收介質(zhì)的厚度遠小于時，粒子的吸收衰減曲線近似服從指數(shù)規(guī)律：為吸收體的吸收系數(shù)m為吸收體的質(zhì)量吸收系數(shù)x為吸收體的厚度xm

為吸收體的質(zhì)量厚度41射線在鋁中的射程：當0.15MeV<Eβmax<0.8MeV時，

當0.8MeV<Eβmax<3MeV時，42

2)電子的散射與反散射

電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，而不輻射能量的過程稱為彈性散射。由于電子質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會發(fā)生多次散射，最后偏離原來的運動方向，電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，稱為反散射。43

3、正電子的湮沒

正電子在物質(zhì)中也會發(fā)生電離損失、輻射損失。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。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44第三節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用射線是能量很高的電磁波，具有波粒二象性光子不帶電；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。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45一、光電效應(yīng)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。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，46

2、自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)

入射光子與內(nèi)層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率較大。3、光電效應(yīng)伴隨有特征x射線和Auger電子原子退激過程：發(fā)出特征x射線，發(fā)出Auger電子。從內(nèi)殼層打出電子，原子處于激發(fā)態(tài)。47

4、光電截面ph的主要特征

入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱之為光電截面。理論上可給出的光電效應(yīng)截面公式。k為k層光電截面48對：，即非相對論情況

對：，即相對論情況

，經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson截面。

49光電效應(yīng)截面小結(jié)：(1)與吸收材料Z的關(guān)系對于選擇探測器的材料的提示：采用高原子序數(shù)的材料，可提高探測效率。對防護、屏蔽射線的提示：采用高Z材料可以有效阻擋射線。(2)與射線能量的關(guān)系光子能量越高，光電效應(yīng)截面越小。50二．Compton散射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?？灯疹D散射可近似為光子與自由電子發(fā)生相互作用（彈性碰撞）?？灯疹D效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最松的外層電子上。511)反沖電子與散射光子的能量與散射角及入射光子能量之間的關(guān)系

光子的能量:Er=hν光子的動量:Pr=hν/c電子的動能：電子的動量：相對論關(guān)系：52由能量守恒：由動量守恒：可得到：散射光子能量：反沖電子能量反沖角：53小結(jié)：(1)散射角＝0時，表明：入射光子從電子旁邊掠過，未受到散射，光子未發(fā)生變化。(2)散射角＝180時，散射光子能量最小，而反沖電子能量最大。(3)散射角在0～180之間連續(xù)變化；反沖角在90～0相應(yīng)變化。542)康普頓散射截面入射光子與單個電子發(fā)生康普頓效應(yīng)的截面稱之為康普頓散射截面。近似與入射光子能量無關(guān)，為常數(shù)。近似與光子能量成反比。55對整個原子的康普頓散射的總截面Z大，康普頓散射截面大；入射粒子能量大，康普頓散射截面小?？灯疹D散射截面與入射光子能量的關(guān)系比光電效應(yīng)要緩和。56三．電子對效應(yīng)

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。電子對效應(yīng)的特征：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：572、電子對效應(yīng)必須在有原子核參加時才能發(fā)生。（同學(xué)自己證明。）原子核帶走多余的動量，又不帶走過多的動能。3、電子對效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒58如果吸收物質(zhì)足夠大，吸收的總能量為：