第4章射線與物質(zhì)的相互作用1

泛指核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應(yīng)產(chǎn)生的各種粒子，包括α、3He、p、d、T、β、γ、X、n、重離子和裂片等。射線（核輻射）：核輻射粒子的基本性質(zhì)1.0086650

n中子1.007276+1

p質(zhì)子00

5.486×10-4

±1

e±

β

4.00279+24Heα質(zhì)量(u)電荷（e)符號(hào)種類可見：射線的本質(zhì)就是核輻射粒子本文檔共95頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分物質(zhì)的構(gòu)成可由單質(zhì)、化合物或混合物構(gòu)成（包括人體）；物質(zhì)的狀態(tài)可以是氣體、液體和固體狀態(tài)。物質(zhì)：載能的粒子對物質(zhì):1有沒有作用2具體的作用機(jī)制是什么3有什么樣的規(guī)律4產(chǎn)生什么樣的結(jié)果射線與物質(zhì)的基本作用：微觀粒子間碰撞有動(dòng)量和能量的傳遞：庫侖作用1電離作用2電離效應(yīng)本文檔共95頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

1、射線穿過物質(zhì)時(shí)，由于射線與物質(zhì)的相互作用，引起射線能量損失、角度偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度衰減，以及造成物質(zhì)的輻射損傷等，這些物理量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，依賴于對射線與物質(zhì)相互作用的了解程度；研究射線與物質(zhì)的相互作用，在原子和原子核物理、固體物理、核輻射探測、核輻射防護(hù)、核技術(shù)應(yīng)用和核能利用等許多領(lǐng)域中有著重要的意義。例如：研究射線與物質(zhì)相互作用的意義：射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)，一方面射線能量不斷損耗，另一方面射線損耗的能量使物質(zhì)的分子或原子產(chǎn)生電離或激發(fā)。

2、從射線與物質(zhì)相互作用的有關(guān)實(shí)驗(yàn)觀察，例如，散射實(shí)驗(yàn)，能提供有關(guān)原子和原子核結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)；本文檔共95頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

3、根據(jù)射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制、特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制造各種核輻射探測器，并用這些探測器來進(jìn)行核物理實(shí)驗(yàn)研究工作，如射線能量的測量、強(qiáng)度測量和各種核參數(shù)測量，以及用來尋找放射性礦藏和各種環(huán)境中的放射性水平監(jiān)測等；

4、在原子能工業(yè)，核子醫(yī)學(xué)和核科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了有效地進(jìn)行核輻射防護(hù)，需要根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，選擇防護(hù)層的合適的材料和厚度來阻止一定能量的某種射線的穿透；

5、根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用，可開展核技術(shù)在邊緣學(xué)科、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用研究工作，如離子束分析技術(shù)在材料元素成分分析、固體表面層特性分析、離子注入半導(dǎo)體材料分析、晶格結(jié)構(gòu)和輻射損傷研究等方面的應(yīng)用；工業(yè)上的射線探傷和測厚，材料和農(nóng)作物、生物樣品的輻射處理，以及腫瘤疾病的診斷和治療等。本文檔共95頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分可見，深入了解射線與物質(zhì)的相互作用機(jī)制及射線穿過物質(zhì)時(shí)發(fā)生的有關(guān)現(xiàn)象，對了解各種射線探測器的響應(yīng)特性和各種材料對射線的阻止作用，以及對分析核物理實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，都是非常有用的。射線與物質(zhì)的相互作用，是核類相關(guān)專業(yè)必須深入了解和熟練掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。本課程討論對象為致電離輻射，輻射能量大于10eV。即可使探測介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。本文檔共95頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分§4.1概述§4.2α粒子與物質(zhì)的相互作用§4.3β射線與物質(zhì)的相互作用§4.4射線與物質(zhì)的相互作用§4.5射線在物質(zhì)中的衰減§4.6中子與物質(zhì)的相互作用本文檔共95頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分**第4.1節(jié)概述本文檔共95頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分致電離輻射：輻射能量大于~10eV量級(jí)的射線。一、射線與物質(zhì)相互作用（致電離輻射）的分類本文檔共95頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分二、彈性碰撞與非彈性碰撞（式中：為內(nèi)能項(xiàng)）彈性碰撞（即動(dòng)能守恒）非彈性碰撞（即動(dòng)能不守恒）稱為第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)原子碰撞，且使原子被激發(fā)；稱為第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的原子碰撞，且使其退激。帶電粒子通過庫侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。相互作用過程中，滿足能量守恒：本文檔共95頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分碰撞機(jī)制：與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。從微觀上看：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(jī)制如何，穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度比入射強(qiáng)度減小。本文檔共95頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分三、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化

α、β、γ射線和重離子穿過靶物質(zhì)時(shí)，與靶物質(zhì)原子發(fā)生相互作用。α、β和重粒子是荷電粒子γ光子不帶電與靶物質(zhì)原子發(fā)生作用的機(jī)制不同在靶物質(zhì)中的能量損失情況不同粒子被物質(zhì)吸收規(guī)律也不同導(dǎo)致導(dǎo)致荷電粒子α、β和重粒子的質(zhì)量差異很大它們在穿透靶物質(zhì)時(shí)的行為也不同導(dǎo)致有必要考察帶電粒子穿透靶物質(zhì)時(shí)的行為本文檔共95頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分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(shí)：入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程：具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子發(fā)生相互作用。這些相互作用是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。這些相互作用引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損失，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電粒子在相互作用過程中逐漸慢化。當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過原子核的庫侖位壘，并與原子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論發(fā)生核反應(yīng)的情況。本文檔共95頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：作用對象：原子（核外電子）；原子核作用方式：載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(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(2)

輻射損失－帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程(3)帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(4)帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞本文檔共95頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（一）電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離過程：如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子核的束縛，則電子將脫離原子，成為自由電子。而原子因失去了一個(gè)電子，而成為正離子。原子最外層的電子受原子核的束縛最弱，最容易發(fā)生在最外層電子。若發(fā)射出來的電子有足夠的動(dòng)能，可進(jìn)一步使其它原子發(fā)生電離作用。這些高速電子被稱為δ電子。內(nèi)殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。本文檔共95頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分激發(fā)過程：如果入射粒子傳遞給電子的能量較少，不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由電子，但可以使原子從低能態(tài)躍遷到相對高能級(jí)狀態(tài)，這種過程叫激發(fā)。處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬間將由高能態(tài)躍遷回基態(tài)（退激）。退激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。

帶電粒子與靶原子中核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方式——把這種相互作用方式引起的能量損失稱為電離損失。本文檔共95頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分當(dāng)入射帶電粒子與靶原子中核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失入射粒子的能量——把這種相互作用方式引起的能量損失稱為電離損失。載能入射帶電粒子靶物質(zhì)（原子）本文檔共95頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（二）輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程核庫侖作用入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，它與原子核之間的庫侖力作用，使入射粒子受到吸引或排斥，從而改變?nèi)肷淞Ｗ拥乃俣群瓦\(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為輻射損失。入射粒子這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射—軔致輻射(bremsstrahlung)。α粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。β粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，對β粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。本文檔共95頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（三）帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞

帶電粒子與靶原子核的庫侖場作用而發(fā)生彈性散射。彈性碰撞過程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)量守恒，入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。核庫侖作用反沖彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動(dòng)能不變，即入射粒子既不輻射光子，也不激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變。本文檔共95頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞引起入射粒子的能量損失稱之為核碰撞能量損失，我們把原子核對入射粒子的阻止作用稱為核阻止。核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子能量很低或低速重離子入射時(shí)，對粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對電子卻是引起反散射的主要過程。α粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。β粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子位移，形成缺陷，即造成物質(zhì)輻射損傷。本文檔共95頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（四）帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受核外電子的庫侖力作用，入射粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為滿足能量和動(dòng)量守恒，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很小，比原子中電子的最低激發(fā)能還小，電子的能量狀態(tài)沒有變化，在此過程中不發(fā)射輻射。這種相互作用方式只是在極低能量(<100eV)的β入射粒子才需要考慮,其它情況下完全可以忽略掉。原子庫侖作用反沖實(shí)際上，與核外電子的彈性碰撞是入射粒子與整個(gè)靶原子的相互作用。本文檔共95頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的吸收過程：如果靶物質(zhì)厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原子核經(jīng)過多次彈性和非彈性碰撞，發(fā)生能量損失和角度偏轉(zhuǎn)，快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子被慢化，最后帶電粒子的動(dòng)能全部耗盡，停留在靶物質(zhì)中。即入射帶電粒子被物質(zhì)吸收了。對MeV量級(jí)的α粒子和質(zhì)子，整個(gè)慢化過程所用的時(shí)間為：毫微秒（氣體物質(zhì)中）~微微秒（固體物質(zhì)中）。上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質(zhì)中單個(gè)原子的作用。實(shí)際上，帶電粒子進(jìn)入靶物質(zhì)后，會(huì)遭到許多原子的許多次這樣的碰撞作用。本文檔共95頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用方式的幾率大小，對于不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區(qū)域，情況完全不同。同一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質(zhì)元素也有關(guān)系。這些相互作用中的各種作用方式對入射帶電粒子的阻止作用的貢獻(xiàn)大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要貢獻(xiàn)的相互作用，而忽略其它的相互作用。在討論帶電粒子與物質(zhì)相互作用的時(shí)候，需要區(qū)分“輕”帶電粒子（如：電子和正電子）和“重”帶電粒子（如：質(zhì)子、氘核d、α粒子等），以及區(qū)分快速和慢速粒子，來分別進(jìn)行討論。小結(jié)：本文檔共95頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

***第4.2節(jié)α粒子與物質(zhì)的相互作用本文檔共95頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分重帶電粒子(HeavyChargedParticles)：指質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多的帶電粒子。如α粒子、質(zhì)子p、氘核d等。重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：

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(與介質(zhì)的核外電子的非彈性碰撞)而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。本節(jié)將具體討論α粒子與物質(zhì)的相互作用。本文檔共95頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分一、α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式α粒子是氦(4He)的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。

天然核素衰變放出的α粒子能量在4~8MeV。初始速度約在(1~2)×109cm/s。α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是電離與激發(fā)。由于α為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。本文檔共95頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分二、α粒子的射程（一）射程(Range)的定義帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程R。入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長度稱作路程(Path)。對重帶電粒子：射程≈路程；對輕帶電粒子：射程<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。本文檔共95頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分射程往往通過實(shí)驗(yàn)測定（以α粒子為例）：將一個(gè)薄的α射線源放在記錄α粒子的探測器前面，不斷改變?chǔ)猎磁c探測器之間的水平距離R，記錄相應(yīng)距離上的計(jì)數(shù)率n(單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)，反映α射線的強(qiáng)度)。I0—起始點(diǎn)(R=0)處測得的α射線強(qiáng)度；I—與源相距R處測得的α射線強(qiáng)度；實(shí)驗(yàn)獲得的曲線實(shí)驗(yàn)測量裝置：本文檔共95頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分入射粒子能量高，其射程長；反之則短。在某種物質(zhì)中，確定的入射重帶電粒子的射程與粒子能量之間存在著確定的關(guān)系，常以曲線的形式給出。當(dāng)探測器與源的距離繼續(xù)增加到某一值時(shí)，α粒子計(jì)數(shù)率迅速下降。說明α射線的強(qiáng)度快速降低，接近射程末端。在探測器離開源距離不大時(shí)，測得的計(jì)數(shù)率幾乎不變。特點(diǎn)：說明α射線的強(qiáng)度開始減小很慢。本文檔共95頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分射程歧離（平均射程）：由于帶電粒子與物質(zhì)的相互作用是一個(gè)隨機(jī)過程，具有確定能量的帶電粒子在某種阻止介質(zhì)中的射程并不是完全確定的，它也將圍繞某個(gè)平均值漲落，稱為射程歧離。

對曲線a求微分，可得到α粒子射程分布曲線b。它表明具有相同能量的α粒子束的射程是圍繞一平均值Rm(平均射程)變化的。右圖中的曲線a表示單能準(zhǔn)直α束穿過不同介質(zhì)厚度后的強(qiáng)度變化關(guān)系曲線。ba射程分布曲線b是峰狀分布，其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程歧離。重帶電粒子百分之幾，輕帶電粒子百分之十幾。本文檔共95頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（二）α粒子的射程由于α粒子的質(zhì)量大，它與核外電子的非彈性碰撞和與原子核的彈性碰撞結(jié)果，不會(huì)引起入射粒子運(yùn)動(dòng)方向很大的改變，其軌跡幾乎是一條直線，只是在路程的末端略有些彎曲，因此可認(rèn)為射程近似等于路程。

α粒子的射程特點(diǎn)：本文檔共95頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分Rm

—平均射程，由微分曲線B之峰頂確定；1.00.50.0n/n0ABRmRERmaxRE—外推射程，由積分曲線A末端直線延長交點(diǎn)確定；Rmax—積分曲線A末端與橫坐標(biāo)交點(diǎn)確定；

α粒子的射程測定：討論：

⑴一般文獻(xiàn)中列出的射程都是指平均射程，因此α粒子的射程用平均射程代表；

⑵α粒子是重粒子，射程漲落小。5MeV的α粒子，射程漲落只有~1％；⑶在同一物質(zhì)中，α粒子的射程與初始能量有關(guān)，能量越大，射程越長；本文檔共95頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分⑷能量為4~8MeV的α粒子，在空氣中射程可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中，R0為α粒子在101324.72Pa，15oC的空氣中的射程(cm)；E為α粒子的能量(MeV)。天然α粒子在空氣中的射程有表可查。⑸對于4~8MeVα粒子在其他物質(zhì)中射程，可以用它在空氣中的射程來計(jì)算（采用布喇格－克利曼經(jīng)驗(yàn)公式）：

相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射程之間的關(guān)系可用一半經(jīng)驗(yàn)公式描述：A為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；ρ為相應(yīng)物質(zhì)的密度。本文檔共95頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分定比定律多種元素組成的物質(zhì)的原子量（即介質(zhì)為化合物或混合物的情況）怎么計(jì)算？對由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：式中：ni和Ai分別表示第i種物質(zhì)成分的相對含量和原子質(zhì)量數(shù)。對空氣（主要由N2和O2構(gòu)成）：本文檔共95頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分已知α粒子在空氣中的射程Rair，可以求得α粒子在其他物質(zhì)中的射程R：式中，ρ—介質(zhì)密度（g/cm3）；A—介質(zhì)原子核質(zhì)量數(shù)；R—α粒子在除空氣外的其它介質(zhì)中的射程（cm）。例：210Po，放射源，E=5.3MeV，計(jì)算其在空氣中和鋁（A=27，=2.7g/cm3

）中的射程。E=5.3MeV在空氣中的射程R0=3.8cm在鋁中的射程R=23.4m

A=27=2.7g/cm3α粒子在固體介質(zhì)中的射程很小本文檔共95頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分⑹天然α粒子在空氣中的射程最大為8.62cm（212Po，能量8.785MeV）。

⑺相同能量的α粒子在不同物質(zhì)中的射程不同。⑻α粒子在液體與固體物質(zhì)中的射程為空氣中的千分之一。實(shí)際上一張紙就可以完全擋住天然α粒子。本文檔共95頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分αβγ射線穿透物質(zhì)能力αβγ射線穿透人體皮膚情況

本文檔共95頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分三、α粒子與核外電子的作用（一）碰撞電離能量損失率

1、能量損失率(SpecificEnergyLoss)指單位路徑上引起的能量損失，又稱為比能損失或阻止本領(lǐng)(StoppingPower)。按能量損失作用的不同，能量損失率可分為“電離能量損失率”和“輻射能量損失率”。電離(ionization)輻射(radiation)本文檔共95頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分對重帶電粒子，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。2、Bethe公式(Betheformula)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。Bethe公式的推導(dǎo)過程中有如下假設(shè)：①

物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(入射粒子的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子的結(jié)合能)本文檔共95頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分②物質(zhì)原子的電子可看成是靜止的。(入射粒子的速度遠(yuǎn)大于軌道電子的運(yùn)動(dòng)速度)③碰撞后入射粒子仍按原方向運(yùn)動(dòng)。(碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身能量小得多，入射粒子方向幾乎不變)根據(jù)量子理論，并考慮了相對論與其他修正因子，得到重帶電粒子電離能量損失率的精確表達(dá)式，稱為Bethe-Block公式：本文檔共95頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分本文檔共95頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分3、Bethe公式的討論①Sion與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，只與電荷與速度有關(guān)。例如：設(shè)p(1H)與d(2H)的入射v相同，則：z相同，v相同；Sion相同。②Sion與入射粒子的電荷平方z2成正比;例如：相同速度的p與α，Sα=4Sp

。其中：β＝v/c，c－光速；本文檔共95頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分③Sion

與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比：其中：β＝v/c，c－光速；④Sion與帶電粒子的速度v的關(guān)系：吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，對同一帶電粒子有更大的阻止本領(lǐng)。v2較小，S1/v2(B項(xiàng)可不考慮)

：

入射粒子的速度越慢，能量損失率越大—原因：帶電粒子速度越慢，掠過電子附近的時(shí)間就越長，電子獲得的動(dòng)能也就越大，因此入射粒子的能量損失率就越大。反之，速度快，能量損失率就小。v2較大，B中的對數(shù)項(xiàng)增大，S上升

；本文檔共95頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分把Sion與粒子速度v的關(guān)系換成與入射粒子的能量E的關(guān)系，得到如下曲線關(guān)系：

曲線b段：Sion隨入射粒子能量增加而減小。原因：在中能區(qū)（每個(gè)粒子的能量約為0.2GeV），Sion表達(dá)式中的第一個(gè)因子占優(yōu)勢，B項(xiàng)可忽略，粗略認(rèn)為Sion1/E。

曲線c段：Sion隨入射粒子能量E增加而緩慢上升。原因：在高能區(qū)（每個(gè)粒子能量>10GeV，v→c），Sion表達(dá)式中的B項(xiàng)中的對數(shù)項(xiàng)起主要作用。

曲線a段：Sion隨入射粒子能量E減小迅速往原點(diǎn)方向下降。重帶電粒子在物質(zhì)中消耗一定能量后，粒子速度與電子軌道速度差不多時(shí)，它要從靶物質(zhì)中俘獲電子，如α粒子俘獲兩個(gè)電子成為氦原子，這樣帶電粒子的有效核電荷數(shù)減少，則Sion減小。Sion表達(dá)式在低能區(qū)不適用，因?yàn)樵撌降耐茖?dǎo)中假定入射粒子速度比電子軌道速度大得多才成立。本文檔共95頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分4、Bragg曲線與能量損失歧離Bragg曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。本文檔共95頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分能量損失歧離(EnergyLossStraggling)：能量損失歧離是由能量損失是一個(gè)隨機(jī)過程所決定的。原因帶電粒子在物質(zhì)中損失能量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過程：一方面，一定能量的帶電粒子穿過一定厚度阻止介質(zhì)時(shí)發(fā)生碰撞數(shù)目具有一定的概率分布；另一方面，每次碰撞中其能量損失的多少也是有一定分布的。一束單能的帶電粒子穿過一定厚度的介質(zhì)后，透射的帶電粒子將不再具有單一能量，而成一能量分布（能量的離散）。本文檔共95頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（二）平均電離能α粒子產(chǎn)生的電離：原電離、次級(jí)電離原電離—由α粒子與原子殼層電子直接作用形成的電離；次級(jí)電離—原電離中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他原子作用產(chǎn)生的電離?？傠婋x=原電離+次級(jí)電離平均電離能(W)—每產(chǎn)生一對離子（包括原電離與次級(jí)電離），帶電粒子（如α粒子）所損耗的平均能量。N—初始動(dòng)能為E的帶電粒子被介質(zhì)完全阻止時(shí)形成的離子對數(shù)。α粒子在空氣中產(chǎn)生一對離子所損耗的平均能量(W值)約35.5eV。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-帶電粒子在穿過介質(zhì)的路徑上經(jīng)電離作用產(chǎn)生的電子和正離子對本文檔共95頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（三）比電離（電離密度）入射帶電粒子（如α粒子）在每單位長度路徑上產(chǎn)生的離子對總數(shù)稱比電離（或電離密度）。下圖表示了α粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系：電離能量損失率與比電離、平均電離能之間的關(guān)系：比電離：W—平均電離能—電離能量損失率本文檔共95頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分α粒子剛進(jìn)入介質(zhì)中時(shí)，速度快，與介質(zhì)原子的作用時(shí)間短，比電離??；在射程末端前，α粒子速度慢，作用時(shí)間長，有極大值；此后，能量耗盡，比電離快速衰減到0。

α粒子在空氣中的比電離約6600離子對/mm，產(chǎn)生此峰值α的粒子能量約700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。在曲線開始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末端，比電離值很快增加，過了峰值之后曲線急劇下降而趨于零，此時(shí)即到達(dá)了射程的末端。原因本文檔共95頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分四、α粒子與原子核的作用α粒子與核作用形式：盧瑟福散射、核反應(yīng)盧瑟福散射—α粒子與核庫侖場作用而改變方向；核反應(yīng)—α粒子進(jìn)入原子核，使原來的原子核發(fā)生根本性變化，即產(chǎn)生新核并放出1個(gè)或幾個(gè)粒子。記為A（α,b）B。幾個(gè)利用α射線完成的著名的核反應(yīng)：利用210Po放出的α粒子轟擊9Be制成的靶，可以產(chǎn)生12C和中子（查德威克1932），導(dǎo)致中子的發(fā)現(xiàn)：世界上第一個(gè)制造的人工放射性核素：1934年，小居里夫婦（約里奧.居里夫婦）本文檔共95頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分第一個(gè)人工核反應(yīng)：開辟了人工方法變革原子核的基本途徑，人類能夠?qū)⒁环N元素變成另一種元素，實(shí)現(xiàn)了中世紀(jì)“煉金術(shù)士們”的夢想。1919年，盧瑟福214Po

α

7.68MeV本文檔共95頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

**第4.3節(jié)β射線與物質(zhì)的相互作用本文檔共95頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

β粒子是隨β衰變放出的快速電子，β粒子是電子（

衰變產(chǎn)生）和正電子（+

衰變產(chǎn)生）的統(tǒng)稱。同一放射源發(fā)射的β射線（由高速運(yùn)動(dòng)的電子流組成）具有連續(xù)能譜的特性，這是它與大量單能電子的不同之處。-粒子平均能量：

β射線的特征：本文檔共95頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

快電子（FastElectrons）與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：快電子的速度大；重帶電粒子相對速度小；快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略；重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；快電子散射嚴(yán)重。重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。本文檔共95頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分一、β粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式（一）彈性散射β粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，僅改變運(yùn)動(dòng)方向，動(dòng)能不變的作用過程（也不輻射能量）

。含義：彈性散射是低能β粒子與物質(zhì)作用的主要形式。根據(jù)量子力學(xué)的理論，有：對單個(gè)原子核，β粒子散射到θ角的概率與靶物質(zhì)的原子序數(shù)平方成正比，與β粒子的動(dòng)能成反比，即：而對于β粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比，即：本文檔共95頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分對于一定能量的β粒子，它被原子核及殼層電子的散射幾率的比值為：對于中等元素與重元素，散射形式主要是原子核散射(例：在鋁介質(zhì)中由殼層電子所引起的散射僅占10%)。在氫介質(zhì)中(Z=1)，兩種散射效應(yīng)幾乎有同等作用；反散射：由于β粒子(電子)質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，β粒子(電子)沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，又從入射表面發(fā)射出來(θ>90°)，稱為反散射。本文檔共95頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分從實(shí)驗(yàn)曲線看出：對同種材料，入射β粒子(電子)能量越低，反散射越嚴(yán)重；對同樣能量的入射β粒子(電子)，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)重。對低能β粒子(電子)在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達(dá)50％。反散射系數(shù)：定義：I0—進(jìn)入探測器之前的β射線強(qiáng)度(源發(fā)出β射線強(qiáng)度的初始值)；I—探測器測得的β射線強(qiáng)度(未發(fā)生散射的β射線強(qiáng)度)；本文檔共95頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分反散射的利用與避免：⑴對β放射源而言，利用反散射可以提高β探測器的探測效率。方法：給源加一個(gè)高Z厚襯底。原因：β放射源的襯底可能使向探測器相反方向發(fā)射的電子（放射源具有4π發(fā)射角）散射回到探測器而使計(jì)數(shù)率明顯增高（當(dāng)襯底材料是高Z值元素組成時(shí)，計(jì)數(shù)率的增加會(huì)超過50%）。⑵對探測器而言，要避免反散射造成的測量偏差。方法：使用低Z材料作探測器的入射窗和探測材料。原因：盡量減小β粒子在探測器及其周圍物質(zhì)中產(chǎn)生的反散射現(xiàn)象。本文檔共95頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

β粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡：β粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過物質(zhì)的厚度大很多，一般是1.5~4倍。由于β粒子受到軌道電子或原子核的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此，β粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線，而是一條不規(guī)則的折線。β粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折的。β粒子的射程和路程相差很大。β粒子的射程比路程小得多。特征：本文檔共95頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（二）電離與激發(fā)

β粒子的能量損失率：對β粒子（快電子），必須考慮相對論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失。β粒子與殼層電子發(fā)生相互作用，把部分能量傳遞給殼層電子，使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)，而β粒子本身的能量則逐漸消耗。

和α粒子一樣，β粒子由于電離作用和激發(fā)作用在單位長度上損失的能量稱為電離能量損失率Sion：本文檔共95頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分電子(β粒子)電離能量損失率的Bethe公式：β粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的20~30％；次級(jí)電離約占70~80％。根據(jù)Bethe公式有：m0，e—電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v—電子的電荷數(shù)與速度；β＝v/c，c—光速；Z—介質(zhì)的原子序數(shù)；N—介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I—吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E—入射電子動(dòng)能；本文檔共95頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

α射線

β射線徑跡粗直細(xì)彎

α

電離作用強(qiáng)電離作用嚴(yán)重產(chǎn)生離子對數(shù)目多(比電離值大→徑跡粗)

電離作用Z1Z2/v2

Z1

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α射線與β射線電離效應(yīng)的比較：實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖示本文檔共95頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分電子徑跡是折線α粒子徑跡是一條直線5.3MeV(210Po)α粒子在空氣中的射程3.83cm本文檔共95頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（三）韌致輻射輻射能量損失：

帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核的庫侖作用(與原子核的非彈性碰撞過程)，其速度和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，會(huì)伴隨發(fā)射電磁波，即軔致輻射。

韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線，其能量與入射帶電粒子動(dòng)能處于同一數(shù)量級(jí)。原子核入射粒子為單能粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的能量；入射粒子為β粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射β粒子的平均能量；本文檔共95頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分輻射能量損失率：單位路徑上，由于軔致輻射而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)中損失的能量。量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：本文檔共95頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分討論：⑴：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(diǎn)考慮。即：電子的輻射損失比α粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。⑵：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(dòng)能的增加而增加。⑶：輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時(shí)，輻射損失大。因此高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射，從而常用較低原子序數(shù)的介質(zhì)（輕介質(zhì)）去屏蔽韌致輻射射線。本文檔共95頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分當(dāng)要吸收、屏蔽β射線時(shí)，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶物質(zhì)。⑷對電子，其輻射能量損失率為：探測學(xué)中所涉及快電子的能量E

一般不超過幾個(gè)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。電子的兩種能量損失率之比：E—入射電子的能量E的單位為MeVZ—吸收材料的原子序數(shù)本文檔共95頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分當(dāng)β粒子能量為10MeV，Z＝82(Pb)，電離能量損失率與輻射能量損失率近似相等。天然放射性元素發(fā)生β衰變放出的β粒子，其能量一般小于3MeV：

與一般巖石(Z較小)等作用時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)；但當(dāng)β粒子通過介質(zhì)的原子序數(shù)較高時(shí)，韌致輻射損耗仍占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。PbAl例：214Bi的β粒子(E=3.17MeV)通過鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：E—入射電子的能量E的單位為MeVZ—吸收材料的原子序數(shù)本文檔共95頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分當(dāng)β粒子能量為3MeV時(shí)，它打到鉛室上會(huì)產(chǎn)生韌致輻射射線，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。在β測置裝置的鉛室內(nèi)壁，往往襯上一層輕物質(zhì)屏（如鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以減少散射射線和韌致輻射射線。引起的問題：解決方案：⑸韌致輻射射線也被用來作為低能X射線源：軔致輻射釋放的X射線，可作為X射線源，用于X射線熒光分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。如：氚(T)是β輻射體，其β粒子最大能量為18KeV，T發(fā)射β粒子打在鈦靶或鋯靶上，可產(chǎn)生n~n×10KeV的X射線。常把這一X射線用作較低能量的X射線熒光分析的射線源。本文檔共95頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（四）線阻止本領(lǐng)S在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子），帶電粒子主要的能量損失方式是碰撞電離損失和軔致輻射損失?？偟木€阻止本領(lǐng)

S

為：總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)S/ρ

為：單位：Jm2kg-1ρ—靶物質(zhì)的密度本文檔共95頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（五）正電子（+粒子）的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。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。正電子的特點(diǎn)：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與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出光子?；蛘撸c一個(gè)電子結(jié)合成正電子素，即電子—正電子對的束縛態(tài)，然后再湮沒，放出光子。湮沒輻射：正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射。湮沒光子：正電子湮沒時(shí)放出的光子稱為湮沒光子。本文檔共95頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分正電子湮沒時(shí)一般放出兩個(gè)光子(出射方向相反)，放出三個(gè)光子的概率僅為放出兩個(gè)光子概率的0.37％。從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：從動(dòng)量守恒出發(fā)：

湮沒前正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零，則，湮沒后兩個(gè)湮沒光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：本文檔共95頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分因此，兩個(gè)湮沒光子的能量相同，各等于0.511MeV。而兩個(gè)湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。電子對的湮沒本文檔共95頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分二、β射線在物質(zhì)中的衰減（一）β射線被物質(zhì)吸收電子(β粒子)穿過物質(zhì)（介質(zhì)）的特點(diǎn)：電子與物質(zhì)作用的主要方式為電離、激發(fā)、韌致輻射和散射作用，具有相同能量的電子穿過同一物質(zhì)時(shí)，其能量損耗仍有差別，總是圍繞某一數(shù)值漲落。

β射線或單能電子束穿過一定厚度的吸收物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱為吸收(或衰減)。盡管由于單個(gè)電子(β粒子)在介質(zhì)中的散射和吸收，并不存在確定的射程，然而對于大量單能電子(電子束)或?qū)τ谕环派湓窗l(fā)射出的β射線，穿過某種吸收介質(zhì)的最大厚度可作為特征量進(jìn)行考察。電子束(β射線)的吸收(或衰減)：本文檔共95頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

β射線射程的定義：當(dāng)β射線通過介質(zhì)時(shí)，幾乎被完全吸收時(shí)的介質(zhì)厚度，稱為β射線的射程。單能電子束與β射線在介質(zhì)中的吸收曲線差別：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。射程往往通過實(shí)驗(yàn)測定：I0—起始點(diǎn)(R=0)處測得的β射線強(qiáng)度；I—與源相距R處測得的β射線強(qiáng)度；本文檔共95頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分射程測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果：讓β射線穿過吸收片后，到達(dá)探測器，記錄它的強(qiáng)度隨吸收片厚度的變化，作圖得到吸收曲線。觀察β射線吸收現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖本文檔共95頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分單能電子束與β射線的吸收曲線差別：右圖為1.9MeV單能電子束和具有相同最大能量的β射線垂直進(jìn)入吸收體的吸收曲線。橫坐標(biāo)：以吸收體面密度表示的厚度；縱坐標(biāo)：穿過相應(yīng)介質(zhì)厚度后的相對強(qiáng)度。

單能電子束的吸收曲線A：存在一線性變化部分，將這部分線性延長與橫軸的交點(diǎn)為其射程。

β射線(β粒子束)的吸收曲線B：對于β粒子束(具有連續(xù)能譜)，射程是難以直接從吸收曲線確定的。單能電子束與具有連續(xù)能譜的β粒子束的衰減規(guī)律是不同的。連續(xù)譜中的低能β粒子易被物質(zhì)吸收，因此經(jīng)過不太厚的吸收介質(zhì)時(shí)，連續(xù)譜射線比單色譜射線的強(qiáng)度衰減得快。比較結(jié)果：本文檔共95頁；當(dāng)前第76頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

β射線在介質(zhì)中的衰減規(guī)律：研究表明，對β射線，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度d遠(yuǎn)小于時(shí)，β射線的吸收衰減曲線近似服從指數(shù)規(guī)律：對于天然核素放出的β射線，在物質(zhì)中的衰減近似遵從指數(shù)衰減規(guī)律。或

m—吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：cm2/g)；dm—吸收體的質(zhì)量厚度(單位：g/cm2)；衰減規(guī)律表達(dá)式：—吸收體的線衰減(或線吸收)系數(shù)(單位：cm-1)；d—吸收體的厚度(單位：cm)；I0—入射β射線的強(qiáng)度；本文檔共95頁；當(dāng)前第77頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分半吸收厚度（半衰減層厚度）：β射線在物質(zhì)中的強(qiáng)度衰減到一半所經(jīng)過的厚度。射程R：β射線經(jīng)過10倍半吸收厚度，強(qiáng)度減少為初始值的1/1024。小于1/1000，可近似認(rèn)為β射線已被介質(zhì)完全吸收。故將10倍半吸收厚度定義為β射線的射程。(單位：cm)同理有，質(zhì)量厚度：(單位：g/cm2)(單位：cm)(單位：g/cm2)本文檔共95頁；當(dāng)前第78頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

β射線的射程計(jì)算：對于具有連續(xù)能譜的β粒子，吸收曲線的大部分可用以下指數(shù)函數(shù)描述：

m—吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：cm2/g)；dm—吸收體的質(zhì)量厚度(單位：g/cm2)；

質(zhì)量衰減系數(shù)與β粒子最大能量Em(以MeV為單位)之間有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：(單位：g/cm2)β射線的射程：本文檔共95頁；當(dāng)前第79頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分（二）放射層中β射線的自吸收放射層的自吸收：當(dāng)β輻射層（β射線放射層）具有一定厚度時(shí)，層中某一點(diǎn)的β射線穿過放射層時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生吸收作用（被衰減），稱為放射層的自吸收作用。

β射線強(qiáng)度與放射層厚度的關(guān)系：由于自吸收作用，射線的強(qiáng)度不會(huì)隨放射層厚度的增加而線性增長。對β射線來說，存在以下關(guān)系（推導(dǎo)略）：I/I∞hh—放射層厚度；—放射層的自吸收系數(shù)；I∞—β射線飽和層的β射線強(qiáng)度；1.0本文檔共95頁；當(dāng)前第80頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分當(dāng)放射層較薄時(shí)，β射線強(qiáng)度隨厚度增加而線性增大。

分析：當(dāng)放射層有一定厚度時(shí)，β射線強(qiáng)度增加較緩慢。

應(yīng)用：從天然放射性礦石的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，β射線飽和層厚度不太大，在數(shù)值上等于被測對象中能量最大的β射線的射程。I/I∞h1.0當(dāng)放射層增加到某一厚度時(shí)，β射線強(qiáng)度不再隨厚度增加而增加，這個(gè)厚度稱為β射線的飽和層厚度。本文檔共95頁；當(dāng)前第81頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分查表可知：鈾系中β射線最大能量為3.17MeV(輻射體為214Bi)，射程為1.54g/cm2(以質(zhì)量厚度dm表示射程)。當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，β射線飽和層厚度d為：查表可知：釷系中β射線最大能量為2.25MeV(輻射體為212Bi)

，射程為1.02g/cm2(以質(zhì)量厚度dm表示射程)

。當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，β射線飽和層厚度d為：本文檔共95頁；當(dāng)前第82頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分小結(jié)—帶電粒子與物質(zhì)的相互作用：

HeavyChargedParticleInteractions：InteractionCharacteristics

每次碰撞損失能量少；

運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線(重粒子質(zhì)量大，不易被散射)；

在所有材料中的射程均很短；能量損失主要為電離能量損失：

單位路徑上有多次相互作用—單位路徑上會(huì)產(chǎn)生許多離子對和較大的能量轉(zhuǎn)移；本文檔共95頁；當(dāng)前第83頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分ElectronsandPositronsInteractions：InteractionCharacteristics

每次碰撞損失能量大；

路徑不是直線，散射大(電子質(zhì)量小，易被散射)；能量損失需要考慮電離能量損失和輻射能量損失：

單位路徑上有較少相互作用—單位路徑上產(chǎn)生較少的離子對和較小的能量轉(zhuǎn)移；E—入射電子的能量E的單位為MeVZ—吸收材料的原子序數(shù)本文檔共95頁；當(dāng)前第84頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分思考題：

1、請說明載能入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的吸收過程，在其慢化過程中有哪些相互作用方式，并對其中主要的兩種作用方式進(jìn)行具體說明。

3、212Po，放射源，E=8.785MeV，計(jì)算其在空氣中和鋁（A=27，=2.7g/cm3

）中的射程。

4、請說明入射帶電粒子(如α粒子)的平均電離能、比電離的含義、以及電離能量損失率與比電離、平均電離能之間的關(guān)系。并說明α粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系及其原因。

2、請說明α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式、α粒子的射程特點(diǎn)以及天然α粒子在物質(zhì)中的穿透能力。本文檔共95頁；當(dāng)前第85頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

8、β粒子的射程定義及其表達(dá)式。隨著β輻射層厚度的增大，β射線強(qiáng)度將如何變化？6、請說明正電子(β+粒子)發(fā)生湮沒輻射的過程及特點(diǎn)。7、請寫出β射線在介質(zhì)中的衰減規(guī)律的兩種表達(dá)形式。其中，線衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)、吸收體的厚度及其質(zhì)量厚度之間滿足什么關(guān)系，單位各是什么？5、請說明β粒子(電子)與物質(zhì)相互作用的主要形式。β粒子(電子)的輻射能量損失率與電離能量損失率之間滿足什么關(guān)系，對實(shí)際工作的指導(dǎo)意義是什么。散射作用對β粒子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響是什么。本文檔共95頁；當(dāng)前第86頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分本節(jié)結(jié)束

謝謝！本文檔共95頁；當(dāng)前第87頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分

1、請說明載能入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的吸收過程，在其慢化過程中有哪些相互作用方式，并對其中主要的兩種作用方式進(jìn)行具體說明。如果靶物質(zhì)厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原子核經(jīng)過多次彈性和非彈性碰撞，發(fā)生能量損失和角度偏轉(zhuǎn)，快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子被慢化，最后帶電粒子的動(dòng)能全部耗盡，停留在靶物質(zhì)中。即入射帶電粒子被物質(zhì)吸收了。載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程中，有四種相互作用方式，包括電離損失(帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過程)、輻射損失(帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程)、帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞、帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞。其中前兩種是主要的作用方式?，F(xiàn)進(jìn)行具體說明：本文檔共95頁；當(dāng)前第88頁；編輯于星期三\8點(diǎn)25分⑴電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)