核輻射物理與探測學(xué)課件-參考

第六章射線與物質(zhì)的相互作用RadiationInteractionswithMatter第六章射線與物質(zhì)的相互作用RadiationInterac16.1概述1、什么是射線？射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本質(zhì)都是輻射粒子。射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測的基礎(chǔ)，也是認識微觀世界的基本手段。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。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述1、什么是射線？射線，指的是如X射線、射線、22、射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述2、射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticul33、彈性碰撞與非彈性碰撞為內(nèi)能項彈性碰撞（即動能守恒）非彈性碰撞（即動能不守恒）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)；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，且使其退激。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述3、彈性碰撞與非彈性碰撞為內(nèi)能項彈性碰撞（即動能守恒）非彈性44、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(a)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。(b)輻射損失－帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。(c)帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(d)帶電粒子與核外電子彈性碰撞第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述4、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程5(1)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——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。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述(1)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6當入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失其能量，稱它為電離損失。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述當入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或7(2)輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程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)射電磁輻射—軔致輻射Bremsstrahlung。當入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時，以輻射光子損失其能量，稱它為輻射損失。尤其對β粒子與物質(zhì)相互作用時，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。6.1概述第六章射線與物質(zhì)的相互作用(2)輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與原8(3)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。彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動能不變，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)，其運動方向改變。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量守恒，入射粒子損失一部分動能使核得到反沖。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉(zhuǎn)。6.1概述第六章射線與物質(zhì)的相互作用(3)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9第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述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，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，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對電子卻是引起反散射的主要過程。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.1概述這種由入射帶電粒子與10(4)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，入射粒子改變運動方向。同樣為滿足能量和動量守恒，入射粒子要損失一點動能，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。這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的β粒子（電子）才需考慮,其它情況下完全可以忽略掉。6.1概述第六章射線與物質(zhì)的相互作用實際上，這是入射粒子與整個靶原子的相互作用。(4)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，116.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、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。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作122、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律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”。2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(Spe13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

Bethe公式是描寫與帶電粒子速度v、電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公式。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用對重帶電粒子，輻射能量損失率相比小的多，因此重帶電粒子的能量14Bethe公式的推導(dǎo)1)物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(入射粒子的動能遠大于電子的結(jié)合能)2)物質(zhì)原子的電子可看成是靜止的。(入射粒子的速度遠大于軌道電子的運動速度)3)碰撞后入射粒子仍按原方向運動。(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)公式推導(dǎo)的簡化條件：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用Bethe公式的推導(dǎo)1)物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(入15重帶電粒子與單個電子的碰撞情況：電子受到的庫侖力：該作用過程的時間為：在時間內(nèi)，帶電粒子傳給電子的動量為：整個作用過程中，傳給電子的總動量為：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用重帶電粒子與單個電子的碰撞情況：電子受到的庫侖力：該作用過程16在x方向，電子獲得的動量為：因此，有：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用在x方向，電子獲得的動量為：因此，有：6.2重帶電粒子與物17由于：所以：令：則：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用由于：所以：令：則：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用18碰撞參量為b時，單個電子所得動量為：碰撞參數(shù)為b時，單個電子所得的動能為：碰撞參數(shù)為b的電子數(shù)為：在dx距離內(nèi),碰撞參數(shù)為b的電子得到的總動能為：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用碰撞參量為b時，單個電子所得動量為：碰撞參數(shù)為b時，單個電子19在dx距離內(nèi),物質(zhì)中所有電子得到的總動能(也就是入射粒子在dx距離內(nèi)損失的動能)為：顯然，不能為“”，也不能為“0”，否則(-dE/dx)將為，是不合理的！和該如何取值呢？6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用在dx距離內(nèi),物質(zhì)中所有電子得到的總動能(也就是入射粒子在d20可以容易知道，對應(yīng)電子獲得最大能量的情況，按經(jīng)典碰撞理論，重粒子與電子對心碰撞時，電子將獲得最大動能，約為根據(jù)：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用202vm可以容易知道，對應(yīng)電子獲得最大能量的情況，按經(jīng)典碰撞21對應(yīng)電子獲得最小能量的情況，可以由電子在原子中的結(jié)合能來考慮。入射粒子傳給電子的能量必須大于其激發(fā)能級值，才能使其激發(fā)或電離，否則將不起作用。也就是說，電子只能從入射粒子處接受大于其激發(fā)能級I的能量。根據(jù)：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用對應(yīng)電子獲得最小能量的情況，可以由電子在原子22代入和，可得到電離能量損失率為：對：按量子理論推導(dǎo)出的公式(非相對論)也可以表示為只是：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用????è?=???è?-minmax2042lnπ4bbvmeNZzdxdEion代入和，可得到電離能量損失率為：對：按量子理23考慮相對論與其他修正因子，可得到重帶電粒子電離能量損失率的精確表達式，稱為Bethe-Block公式：其中：z--入射粒子電荷數(shù)v--入射粒子速度N--靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)平均等效電離電位m0為電子靜止質(zhì)量6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用考慮相對論與其他修正因子，可得到重帶電粒子電離能量損失率的精243)Bethe公式的討論(2)與帶電粒子的電荷z的關(guān)系；(1)Sion與帶電粒子的質(zhì)量M無關(guān)，而僅與其速度v和電荷數(shù)z有關(guān)。(3)Sion與帶電粒子的速度v的關(guān)系：非相對論情況下，B隨v變化緩慢，近似與v無關(guān)，則：(4)，吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，其阻止本領(lǐng)大。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用3)Bethe公式的討論(2)254)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。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用4)Bragg曲線與能量歧離Bragg曲線：帶電粒子的能量26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。能量歧離是由能量損失是一個隨機過程所決定的。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用能量歧離(EnergyStraggling)：單能粒子穿273、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程1)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)中行徑的實際軌跡的長度稱作路程(Path)。路程>射程重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時，其運動方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用3、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程1)射程(Range)的定義帶28若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：非相對論情況：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：非相對論情況：6.229射程往往通過實驗測定：探測器源平均射程外推射程入射粒子能量高，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。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用射程往往通過實驗測定：探測器源平均射程外推射程入射粒子能量高30射程歧離：由于帶電粒子與物質(zhì)的相互作用是一個隨機過程，因此單能粒子的射程也是有漲落的，稱為射程歧離。對圖中曲線進行微分，得到一峰狀分布，其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程歧離。6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用射程歧離：由于帶電粒子與物質(zhì)的相互作用是一個隨機過程，因此單31阻止時間：將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)所需的時間。阻止時間T＝粒子射程R粒子的平均速度對非相對論粒子(質(zhì)量M，動能E)：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用阻止時間：將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)所需的時間。阻止時間T＝粒32取k＝0.6單位：秒單位：米單位：u單位：MeV6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用取k＝0.6單位：秒單位：米單位：u單位：MeV6.2重帶332)粒子在空氣中的射程為粒子能量，單位為MeV。公式適用范圍：3)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Bragg－Kleemanrule:6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用多元素化合物阻止本領(lǐng)2)粒子在空氣中的射程為粒子能量，單位為MeV。公式34A為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；為相應(yīng)物質(zhì)的密度。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)驗公式描述：多種元素組成的物質(zhì)的原子量怎么計算？定比定律6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用A為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射35對由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：化合物或混合物中，第i種元素的原子百分數(shù)。對空氣：已知粒子在空氣中的射程，可以求得粒子在其他物質(zhì)中的射程：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用對由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：化合物或混364)同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子的射程之間的關(guān)系。粒子初速度的單值函數(shù)，對于同樣的v值，不同粒子取相同的數(shù)值。定比定律入射粒子的屬性6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用4)同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子的射程之間的關(guān)系。粒子初速374、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在薄吸收體中的能量損失可計算為：簡單測厚儀原理：6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用要求：粒子在吸收體中的徑跡——直線P.164圖6.104、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在薄吸收體中的能385、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大質(zhì)量、很大電荷及相當高能量的重帶電粒子。很大，射程很短隨著它在吸收體內(nèi)損耗能量而減小。減小6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用5、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大質(zhì)量396.3快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(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。重帶電粒子相對速度??；重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；重帶電粒子在介質(zhì)中的運動徑跡近似為直線。第六章射線與物質(zhì)的相互作用6.3快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)相互作用的特點：快401、快電子的能量損失率對快電子，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：6.3快電子與物質(zhì)的相互作用電離損失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)。1、快電子的能量損失率對快電子，必須考慮相對論效應(yīng)時的電離能41輻射能量損失：輻射能量損失率：單位路徑上，由于軔致輻射而損失的能量。量子電動力學(xué)計算表明，輻射能量損失率服從：入射粒子的電荷、能量及質(zhì)量吸收物質(zhì)的原子序數(shù)和單位體積的原子數(shù)6.3快電子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子穿過物質(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：輻射能量損失率：單位路徑上，由于軔致輻射而損失42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。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。(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。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用討論：(1)：輻43對電子，其輻射能量損失率為：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。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用對電子，其輻射能量損失率為：電子的兩種能量損失率之比：E的單442、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。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用2、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451)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。射程往往通過實驗測定：探測器源6.3快電子與物質(zhì)的相互作用1)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46對單能電子，初始能量相等的電子在各種材料中的射程與吸收體密度的乘積近似為常數(shù)：質(zhì)量厚度表示的射程單位為：6.3快電子與物質(zhì)的相互作用對單能電子，初始能量相等的電子在各種材料中的射程與吸收體密度47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：6.3快電子與物質(zhì)的相互作用單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(M48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)x為吸收體的厚度m為吸收體的質(zhì)量吸收系數(shù)xm

為吸收體的質(zhì)量厚度6.3快電子與物質(zhì)的相互作用對粒子，當吸收介質(zhì)的厚度遠小于時，49射線在鋁中的射程：當時，當時，其它典型物質(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。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用射線在鋁中的射程：當502)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。定義反散射系數(shù)：探測器6.3快電子與物質(zhì)的相互作用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51對同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴重；對同樣能量的入射電子，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴重。對低能電子在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達50％。從實驗曲線看出：6.3快電子與物質(zhì)的相互作用對同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴重；對同樣能量的入射52反散射的利用與避免1)對放射源而言，利用反散射可以提高β源的產(chǎn)額。2)對探測器而言，要避免反散射造成的測量偏差。給源加一個高Z

厚襯底。使用低Z材料作探測器的入射窗和探測器。探測器6.3快電子與物質(zhì)的相互作用反散射的利用與避免1)對放射源而言，利用反散射可以提高β源533、正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機制和電子相同。高速正電子進入物質(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。或者，它與一個電子結(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。正電子的特點是：正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射。正電子湮沒時放出的光子稱為湮沒光子。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用3、正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機制和電子54正電子湮沒時一般放出兩個光子，放出三個光子的概率僅為放出兩個光子概率的0.37％。從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時，正、負電子的動能為零，所以，兩個湮沒光子的總能量應(yīng)等于正、負電子的靜止質(zhì)量。即：從動量守恒出發(fā)：湮沒前正、負電子的總動量為零，則，湮沒后兩個湮沒光子的總動量也應(yīng)為零。即：6.3快電子與物質(zhì)的相互作用正電子湮沒時一般放出兩個光子，放出三個光子的概率僅為放出兩個55因此，兩個湮沒光子的能量相同，各等于0.511MeV。而兩個湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。6.3快電子與物質(zhì)的相互作用(正負電子)對湮沒PairAnnihilation正電子與電子相遇會湮滅而產(chǎn)生一對0.51MeV的γ光子1928年狄拉克由相對論量子力學(xué)預(yù)言正電子的存在.1932年安德遜在宇宙線中觀察到正電子.因此，兩個湮沒光子的能量相同，各等于0.511MeV。而兩個56正電子在材料中發(fā)生湮沒的概率：材料中的電子密度，單位1/cm3；電子的經(jīng)典半徑，光速,Z,A為材料的密度、原子序數(shù)和原子量。正電子壽命=1/P，固體中=10-10s，氣體中=10-7s6.3快電子與物質(zhì)的相互作用正電子在材料中發(fā)生湮沒的概率：材料中的電子密度，單位1/cm57小結(jié)——帶電粒子與物質(zhì)的相互作用6.3快電子與物質(zhì)的相互作用重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用相互作用的特點：主要為電離能量損失單位路徑上有多次作用——單位路徑上會產(chǎn)生許多離子對和較大的能量轉(zhuǎn)移每次碰撞損失能量少●運動徑跡近似為直線●在所有材料中的射程均很短小結(jié)——帶電粒子與物質(zhì)的相互作用6.3快電子與物質(zhì)的相互作58小結(jié)——帶電粒子與物質(zhì)的相互作用6.3快電子與物質(zhì)的相互作用電子和正電子與物質(zhì)的相互作用相互作用的特點：●電離能量損失和輻射能量損失●單位路徑上較少相互作用——單位路徑上產(chǎn)生較少的離子對和較小的能量轉(zhuǎn)移●每次碰撞損失能量大●路徑不是直線，散射大小結(jié)——帶電粒子與物質(zhì)的相互作用6.3快電子與物質(zhì)的相互作59探測學(xué)中射線含義——電磁輻射特征射線：核能級躍遷湮沒輻射：正電子湮沒產(chǎn)生特征X射線：原子能級躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運動方向改變產(chǎn)生6.4射線與物質(zhì)的相互作用第六章射線與物質(zhì)的相互作用探測學(xué)中射線含義——電磁輻射特征射線：核能級躍遷60特點：光子是通過次級效應(yīng)(一種“單次性”的隨機事件)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，同時產(chǎn)生次電子；次級效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。6.4射線與物質(zhì)的相互作用特點：光子是通過次級效應(yīng)(一種“單次性”的隨機事件)與物質(zhì)61射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個物理量來表示作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：總截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對效應(yīng)截面6.4射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個621、光電效應(yīng)PhotoelectricEffect

射線(光子)與物質(zhì)原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使之發(fā)射出去(稱為光電子photoelectron)，而光子本身消失的過程，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是光子與原子整體相互作用，而不是與自由電子發(fā)生相互作用。因此，光電效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最緊的

K層電子上。光電效應(yīng)發(fā)生后，由于原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空位，將發(fā)生發(fā)出特征X射線或俄歇電子的過程。6.4射線與物質(zhì)的相互作用1、光電效應(yīng)PhotoelectricEffect射631)光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。否則不能同時滿足能量和動量守恒。6.4射線與物質(zhì)的相互作用Er—反沖能→01)光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是642)光電截面入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱之為光電截面。k為k層光電截面理論上可給出的光電效應(yīng)截面公式。6.4射線與物質(zhì)的相互作用對：，即非相對論情況2)光電截面入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱之為光電65——經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson截面。對：，即相對論情況對：與吸收限有關(guān)，在吸收限處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。6.4射線與物質(zhì)的相互作用其中——經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson截面。對：，即相對論66光電效應(yīng)截面小結(jié)：對于選擇探測器的材料的提示：對防護、屏蔽射線的提示：(1)與吸收材料Z的關(guān)系光子能量越高，光電效應(yīng)截面越小。(2)與射線能量的關(guān)系采用高原子序數(shù)的材料，可提高探測效率。采用高Z材料可以有效阻擋射線。6.4射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)截面小結(jié)：對于選擇探測器的材料的提示：對防護、屏蔽67+++3)光電子的角分布光電子的角分布代表進入平均角度為

方向的單位立體角內(nèi)的光電子數(shù)的比例?！鄬τ谌肷涔庾臃较虻慕嵌?。6.4射線與物質(zhì)的相互作用+++3)光電子的角分布光電子的角分布代表進入平均角度為68在不同出射方向光電子的產(chǎn)額是不同的，這種截面對于空間的微分，也就是微分截面。光電子角分布的特點：(1)在＝0和＝180方向沒有光電子飛出；(2)光電子在哪一角度出現(xiàn)最大概率與入射光子能量有關(guān)；當入射光子能量低時，光電子趨于垂直方向發(fā)射，當光子能量較高時，光電子趨于向前發(fā)射。6.4射線與物質(zhì)的相互作用在不同出射方向光電子的產(chǎn)額是不同的，這種截面對于空間的微分，692、康普頓效應(yīng)ComptonEffect康普頓效應(yīng)是射線(光子)與核外電子的非彈性碰撞過程。在作用過程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而光子受到散射，其運動方向和能量都發(fā)生變化，稱為散射光子?？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）。康普頓效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最松的外層電子上。6.4射線與物質(zhì)的相互作用2、康普頓效應(yīng)ComptonEffect康普頓效應(yīng)是射701)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：電子的動能：光子的動量：電子的動量：相對論關(guān)系：6.4射線與物質(zhì)的相互作用1)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)71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：6.4射線與物質(zhì)的相互作用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72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。6.4射線與物質(zhì)的相互作用小結(jié)：(1)散射角＝0時，表明：入射光子從電子旁邊732)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。近似與光子能量成反比。近似與入射光子能量無關(guān)，為常數(shù)。6.4射線與物質(zhì)的相互作用2)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74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。6.4射線與物質(zhì)的相互作用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75其中康普頓散射的微分截面表示散射光子落在某方向單位立體角內(nèi)的概率?？捎蒏lein－Nihsina公式給出：6.4射線與物質(zhì)的相互作用其中康普頓散射的微分截面表示散射光子落在某方向單位立體角內(nèi)76微分截面有時也用表示那么，和什么關(guān)系？6.4射線與物質(zhì)的相互作用微分截面有時也用表示那么，773)反沖電子的角分布和能量分布為反沖電子落在方向單位立體角內(nèi)的概率。為反沖電子落在方向單位反沖角內(nèi)的概率。6.4射線與物質(zhì)的相互作用3)反沖電子的角分布和能量分布為反沖電子落在方向單位立體78為反沖電子落在Ee處單位能量間隔的概率。反沖電子的能量分布，即反沖電子的能譜。小結(jié)：(1)任何一種單能射線產(chǎn)生的反沖電子的動能都是連續(xù)分布的。且存在最大反沖電子動能。(2)在最大反沖電子動能處，反沖電子數(shù)目最多，在能量較小處，存在一個坪。6.4射線與物質(zhì)的相互作用為反沖電子落在Ee處單位能量間隔的概率。反沖電子的能量分布，793、電子對效應(yīng)PairProduction電子對效應(yīng)是當入射射線(光子)能量較高(>1.022MeV)時，當它從原子核旁經(jīng)過時，在核庫侖場的作用下，入射光子轉(zhuǎn)