第2章 射线与物质相互作用

1、成都理工大学核自院成都理工大学核自院主讲教师主讲教师: 杨 佳l 本课程的理论学时本课程的理论学时24学时，主要讲授内容包括：学时，主要讲授内容包括：2.1 概述概述2.2 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用2.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2.4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2.5 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减2.6 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用p 入射入射带电带电粒子粒子在靶物质中在靶物质中的的慢化慢化过程过程： 具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子发生相互作用。发生相互

2、作用。 这些相互作用是入射带电粒子所带这些相互作用是入射带电粒子所带电荷电荷与原子中与原子中核外电子核外电子、原子核原子核发生的发生的库仑相互作用库仑相互作用。 这些相互作用这些相互作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损失失，结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电，结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电粒子粒子在相互作用过程中逐渐慢化在相互作用过程中逐渐慢化。 当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原子核发生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。子核发生核反应。本节不讨论

3、发生核反应的情况。| 载能入射带电粒子与靶物质原子相互作用的主要方式：载能入射带电粒子与靶物质原子相互作用的主要方式：p 作用对象：作用对象： 原子（核外电子）；原子（核外电子）； 原子核原子核p 作用方式：作用方式： 载能带电粒子在靶物质中的载能带电粒子在靶物质中的慢化过程慢化过程，可分为，可分为四种四种，其，其中前两种是主要的：中前两种是主要的：(1) 电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程(2) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电

4、粒子与靶原子核的弹性碰撞(4) 带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞p 电离过程：电离过程： 如果传递给电子的能量足以使电如果传递给电子的能量足以使电子克服原子核的束缚，则电子将脱离子克服原子核的束缚，则电子将脱离原子，成为原子，成为自由电子自由电子。 而原子因失去了一个电子，而成而原子因失去了一个电子，而成为为正离子正离子。 原子最外层的电子受原子核的束原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，缚最弱，最容易发生在最外层电子最容易发生在最外层电子。 若发射出来的电子有足够的动能，可若发射出来的电子有足够的动能，可进一步使其它原子发生进一步使其它原子发生电离作用电

5、离作用。这些高速电子被称为。这些高速电子被称为电子电子。 内壳层电子被电离后，在该壳层留下空位，外层电子向内层内壳层电子被电离后，在该壳层留下空位，外层电子向内层跃迁，同时放出特征跃迁，同时放出特征X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。p 激发过程：激发过程： 如果入射粒子如果入射粒子传递给电子的能量较少传递给电子的能量较少，不足以使电子脱离原子核的吸引成为自由不足以使电子脱离原子核的吸引成为自由电子，但可以电子，但可以使原子从低能态跃迁到相对使原子从低能态跃迁到相对高能级状态高能级状态，这种过程叫激发。，这种过程叫激发。 处于高能态的原子是不稳定的，瞬处于高能态的原子是不稳定的，瞬间将由高能态跃

6、迁回基态（退激）。退间将由高能态跃迁回基态（退激）。退激时，以光的形式释放出多余能量。激时，以光的形式释放出多余能量。 带电粒子带电粒子与靶原子中与靶原子中核外电子的非核外电子的非弹性碰撞弹性碰撞，导致原子的，导致原子的电离或激发电离或激发，是，是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式式把这种相互作用方式把这种相互作用方式引起的能量引起的能量损失损失称为称为电离损失电离损失。 当当入射带电粒子入射带电粒子与靶原子中与靶原子中核外电子核外电子发生发生非弹性非弹性碰撞碰撞，以使靶物质原子，以使靶物质原子电离电离或或激发激发的方式而的方式而损失入射损失入射粒子的能量粒

7、子的能量把这种相互作用方式把这种相互作用方式引起的能量损失引起的能量损失称为称为电离损失电离损失。载载能能入入射射带带电电粒粒子子靶物质（原子）靶物质（原子）核核库仑作用库仑作用 入射带电粒子靠近靶物质的入射带电粒子靠近靶物质的原子核时，它与原子核时，它与原子核之间的库原子核之间的库仑力作用仑力作用，使入射粒子受到吸引，使入射粒子受到吸引或排斥，从而改变入射粒子的或排斥，从而改变入射粒子的速速度和运动方向度和运动方向。 当当入射带电粒子入射带电粒子与与原子核原子核发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞时，以时，以辐射光子辐射光子损失其能量，我们称它为损失其能量，我们称它为辐射损失辐射损失。 入射粒子这种

8、运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射入射粒子这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射轫轫致辐射致辐射(bremsstrahlung)。 粒子质量大，与原子核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与原子核碰撞后运动方向变化小。粒子质粒子质量小，运动状态改变大。因此，量小，运动状态改变大。因此，对对粒子粒子与物质相互作用时，与物质相互作用时，辐辐射损失是其重要的一种能量损失方式射损失是其重要的一种能量损失方式。 带电粒子带电粒子与与靶原子核的库仑场靶原子核的库仑场作用而发生作用而发生弹性散射弹性散射。 弹性碰撞过程中弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动

9、量守恒，量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，。碰撞后，绝大绝大部分能量部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。核核库仑作用库仑作用反冲反冲 弹性散射过程中，入射粒子和原子核的弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变总动能不变，即入射，即入射粒子粒子既不既不辐射光子，辐射光子，也不也不激发或电离原子核，但入射粒子受到激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其偏转，其运动方向改变运动方向改变。 这种由入射带电粒子与靶原子核发生这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞弹性碰撞引起引起入射粒子入射粒子的能量损失

10、的能量损失称之为称之为核碰撞能量损失核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为阻止作用称为核阻止核阻止。 核碰撞能量损失核碰撞能量损失只是在入射带电粒子只是在入射带电粒子能量很低能量很低或或低速重离子低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。反散射的主要过程。 粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小，粒子质量小，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以使晶体原子运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以使晶体

11、原子位移，形成缺陷，即造成位移，形成缺陷，即造成物质辐射损伤物质辐射损伤。 受受核外电子核外电子的库仑力作用，入射的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为粒子改变运动方向。同样为满足能量满足能量和动量守恒和动量守恒，入射粒子要损失一点动，入射粒子要损失一点动能，但这种能，但这种能量的转移很小能量的转移很小，比比原子原子中电子的中电子的最低激发能还小最低激发能还小，电子的能，电子的能量状态没有变化，在此过程中不发射量状态没有变化，在此过程中不发射辐射。辐射。 这种相互作用方式只是在极低能量这种相互作用方式只是在极低能量(90)，称为反散射，称为反散射。从实验曲线看出：从实验曲线看出： 对对同种

12、材料同种材料，入射，入射粒粒子子(电子电子)能量越低能量越低，反散射反散射越严重越严重；对；对同样能量同样能量的入的入射射粒子粒子(电子电子)，原子序数原子序数越高越高的材料，的材料，反散射反散射越严越严重重。 对低能对低能粒子粒子(电子电子)在高在高原子序数的厚样品物质上的原子序数的厚样品物质上的反散射系数可达反散射系数可达50。 反散射系数反散射系数：00III I0源发出源发出射线强度的初始值；射线强度的初始值；I未发生反散射的未发生反散射的射线强度。射线强度。p 粒子的运动轨迹粒子的运动轨迹： 粒子在物质中的路程，比穿过物粒子在物质中的路程，比穿过物质的厚度大很多，一般是质的厚度大很多

13、，一般是1.54倍。倍。 由于由于粒子受到轨道电子或原子核粒子受到轨道电子或原子核的散射，其运动方向不断改变，因此，的散射，其运动方向不断改变，因此， 粒子的运动轨迹粒子的运动轨迹不是一条直线，不是一条直线，而是而是一条不规则的折线一条不规则的折线。 粒子的运动径迹是粒子的运动径迹是曲折曲折的。的。粒子的粒子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。粒子的粒子的射程比路程小得多射程比路程小得多。 特征：特征：（二）电离与激发（二）电离与激发 粒子产生的直接电离约占总电离的粒子产生的直接电离约占总电离的2030；次级电离约占；次级电离约占7080。根据电子。根据电子(粒子粒子)电离能量损失率的电

14、离能量损失率的Bethe公式有：公式有：222222220204)11 (81)1 ()112ln()1 (2ln2IEvmvmNZedXdEionm0，e电子的静止质量与电荷；电子的静止质量与电荷；z，v电子的电荷数与速度；电子的电荷数与速度； v /c，c光速；光速；Z介质的原子序数；介质的原子序数；N介质单位体积（介质单位体积（1cm3）内的原子数目内的原子数目；I吸收介质原子的平均电离电位；吸收介质原子的平均电离电位；E入射电子动能；入射电子动能；（三）韧致辐射（三）韧致辐射p 辐射能量损失：辐射能量损失： 带电粒子带电粒子穿过物质时受物质穿过物质时受物质原子核原子核的的库仑作用库仑作

15、用(与原子核的非弹与原子核的非弹性碰撞过程性碰撞过程)，其，其速度速度和和运动方向运动方向发生变化发生变化，会伴随发射，会伴随发射电磁波电磁波，即，即轫致辐射轫致辐射。 韧致辐射所产生的电磁辐射是韧致辐射所产生的电磁辐射是连续能量的连续能量的X射线射线，其能量与，其能量与入射带电粒子动能入射带电粒子动能处于同一数量级处于同一数量级。原子核原子核 入射粒子为入射粒子为单能单能粒子粒子：产生的电磁辐射平均能量小于入射：产生的电磁辐射平均能量小于入射粒子的能量；粒子的能量； 入射粒子为入射粒子为粒子粒子：产生的电磁辐射平均能量小于入射：产生的电磁辐射平均能量小于入射粒子的平均能量；粒子的平均能量；p

16、 辐射能量损失率辐射能量损失率 ： 单位路径上单位路径上，由于轫致辐射由于轫致辐射而使入射带电粒子在靶物质而使入射带电粒子在靶物质中损失的能量。中损失的能量。radraddxdES量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：| 讨论：讨论：222NZmEzdxdESradrad21mSrad ：辐射损失率辐射损失率与与带电粒子带电粒子静止质量静止质量m的的平方成反平方成反比比。所以仅对电子才重点考虑。即：。所以仅对电子才重点考虑。即：电子的辐射损失比电子的辐射损失比粒子、质子等重粒子大得多。粒子、质子等重粒子大得多。ESrad ：辐射损失率辐射损失率与与

17、带电粒子带电粒子的的能量能量E成正比成正比。即辐射。即辐射损失率损失率随粒子动能的增加而增加随粒子动能的增加而增加。2NZSrad ：辐射损失率辐射损失率与与吸收物质吸收物质的的NZ2成正比成正比。所以当。所以当吸收材料吸收材料原子序数大原子序数大、密度大密度大时，时，辐射损失大辐射损失大。 因此因此高速电子打到重介质上容易产生韧致辐射高速电子打到重介质上容易产生韧致辐射，从而常用，从而常用较低原子序数的介质（轻介质）去屏蔽较低原子序数的介质（轻介质）去屏蔽韧致辐射射线韧致辐射射线。当要当要吸收、屏蔽吸收、屏蔽射线射线时，时，不宜选用重材料不宜选用重材料。当要当要获得强的获得强的X射线射线时，

18、则应时，则应选用重材料作靶物质选用重材料作靶物质。342ln41371202204CmECmeZNEZdXdErad对电子对电子，其，其辐射能量损失率辐射能量损失率为：为： 探测学中所涉及快电子的能量探测学中所涉及快电子的能量E 一般一般不超过几个不超过几个MeV，所以，所以，辐射能量损失辐射能量损失只有在只有在高原子序数高原子序数(大大Z)的的吸收材料吸收材料中才中才是重要的。是重要的。电子的两种能量损失率之比：电子的两种能量损失率之比：E入射电子的能量入射电子的能量800/ZEdxdEdxdEionradE的单位为的单位为MeVZ吸收材料的原子序数吸收材料的原子序数n 当当粒子能量为粒子能

19、量为10MeV，Z82(Pb)，电离能量损失率与辐，电离能量损失率与辐射能量损失率近似相等。射能量损失率近似相等。n 天然放射性元素发生天然放射性元素发生衰变放出的衰变放出的粒子，其能量一般小于粒子，其能量一般小于3MeV： 与一般岩石与一般岩石(Z较小较小)等作用等作用时，辐射损耗可以忽略不计；时，辐射损耗可以忽略不计； 但当但当粒子粒子通过介质的原子序数较高通过介质的原子序数较高时，韧致辐射损耗仍时，韧致辐射损耗仍占一定比例，实际工作中不可忽视。占一定比例，实际工作中不可忽视。7 .3380017. 382ionraddXdEdXdEPb580017. 313ionraddXdEdXdEA

20、l 例：例：214Bi的的粒子粒子(E=3.17MeV)通过铅、铝介质时：通过铅、铝介质时：E入射电子的能量入射电子的能量800/ZEdxdEdxdEionradE的单位为的单位为MeVZ吸收材料的原子序数吸收材料的原子序数 当当粒子能量为粒子能量为3MeV时，它打到铅室上会时，它打到铅室上会产生韧致辐射产生韧致辐射射线射线，会增大本底计数值。，会增大本底计数值。 在在测置装置的测置装置的铅室内壁铅室内壁，往往，往往衬上一层轻物质屏衬上一层轻物质屏（如（如铝屏或有机玻璃屏）以铝屏或有机玻璃屏）以减少散射射线和韧致辐射射线减少散射射线和韧致辐射射线。引起的问题：引起的问题：解决方案：解决方案：

21、韧致辐射射线也被用来作为低能韧致辐射射线也被用来作为低能X射线源：射线源： 轫致辐射释放的轫致辐射释放的X射线，可作为射线，可作为X射线源，用于射线源，用于X射线荧光射线荧光分析，也可用于分析，也可用于X光透视。荧光屏也是利用轫致辐射原理制成。光透视。荧光屏也是利用轫致辐射原理制成。 如：氚如：氚(T)是是辐射体，其辐射体，其粒子最大能量为粒子最大能量为18KeV，T发射发射粒粒子打在钛靶或锆靶上，可产生子打在钛靶或锆靶上，可产生nn10KeV的的X射线。常把这一射线。常把这一X射线用作较低能量的射线用作较低能量的X射线荧光分析的射线源。射线荧光分析的射线源。（四）线阻止本领（四）线阻止本领

22、S 在核反应可忽略的能量范围内（不是高能电子）在核反应可忽略的能量范围内（不是高能电子） ，带电粒，带电粒子主要的能量损失方式是子主要的能量损失方式是碰撞电离损失碰撞电离损失和和轫致辐射损失轫致辐射损失。总的总的线阻止本领线阻止本领 S 为：为：radiondXdEdXdES总的总的质量阻止本领质量阻止本领 S/ 为：为：radiondXdEdXdES11单位：单位：J m2 kg-1靶物质的密度靶物质的密度（五）正电子（五）正电子（ + +粒子粒子）的湮没）的湮没 正电子正电子与物质发生相互作用的与物质发生相互作用的能量损失机制能量损失机制和和电子相同电子相同。电子。电子与物质相互作用的与物

23、质相互作用的全部规律都适用于正电子与物质相互作用过程全部规律都适用于正电子与物质相互作用过程。p 正电子的特点：正电子的特点： 高速正电子进入物质后迅速被高速正电子进入物质后迅速被慢化慢化，然后在正电子径迹的，然后在正电子径迹的末末端端与介质中的电子发生与介质中的电子发生湮没湮没，放出放出 光子光子。 或者，它与一个电子结或者，它与一个电子结合成合成正电子素，即电子正电子素，即电子正电子对的束缚态正电子对的束缚态，然后再，然后再湮没湮没，放出放出 光子光子。p 湮没辐射：正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射：正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射湮没辐射。p 湮没光子：正电子湮没时放出的光子称为

24、湮没光子：正电子湮没时放出的光子称为湮没光子湮没光子。 由能量守恒和动量守恒可得：两个由能量守恒和动量守恒可得：两个湮没光子湮没光子的的能量相同能量相同，各等，各等于于0.511MeV。MeVcmhhe511. 0221而两个而两个湮没光子湮没光子的的发射方向相反发射方向相反，且发射是，且发射是各向同性各向同性的。的。正电子与负电子相遇发生湮正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个灭，产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100 %） （一）（一

25、）射线被物质吸收射线被物质吸收maxR 研究表明，对研究表明，对射线射线，当吸收介质的厚度，当吸收介质的厚度d远小于远小于 时，时，射线的射线的吸收衰减曲线吸收衰减曲线近似服从近似服从指数规律指数规律： 对于天然核素放出的对于天然核素放出的射线，在物质中的衰减近似遵从指数射线，在物质中的衰减近似遵从指数衰减规律。衰减规律。或或mmdmeIdI0)( m吸收体的吸收体的质量衰减系数质量衰减系数(单位：单位：cm2/g)；dm吸收体的吸收体的质量厚度质量厚度(单位：单位：g/cm2)；/m ddmdeIdI0)( 吸收体的吸收体的线衰减线衰减(或线吸收或线吸收)系数系数(单位：单位：cm-1)；d

26、吸收体的吸收体的厚度厚度(单位：单位：cm)；I0入射入射射线射线的的强度；强度；n 半吸收厚度（半衰减层厚度）半吸收厚度（半衰减层厚度）：射线在物质中的强度衰减到一半所经过的厚度。射线在物质中的强度衰减到一半所经过的厚度。20II deIdI0)(2121den 射程射程R： 射线经过射线经过10倍半吸收厚度，强度减少为初始值的倍半吸收厚度，强度减少为初始值的1/1024。小。小于于1/1000，可近似认为，可近似认为射线已被介质完全吸收。故将射线已被介质完全吸收。故将10倍半吸收倍半吸收厚度定义为厚度定义为射线的射程射线的射程。2121nd (单位：单位：cm)同理有，质量厚度：同理有，质

27、量厚度：mmnd2121(单位：单位：g/cm2)21101021ndR(单位：单位：cm)(单位：单位：g/cm2)mmmndR21101021n 射线的射程计算：射线的射程计算： 对于具有连续能谱的对于具有连续能谱的粒子，吸收曲线的大部分可用以下粒子，吸收曲线的大部分可用以下指数函数描述：指数函数描述：)41 . 0(MeVEMeVm14. 17 . 1mmEmmdmeIdI0)( m吸收体的吸收体的质量衰减系数质量衰减系数(单位：单位：cm2/g)；dm吸收体的吸收体的质量厚度质量厚度(单位：单位：g/cm2)； 质量衰减系数质量衰减系数与与粒子最大能量粒子最大能量Em(以以MeV为单位

28、为单位)之间之间有如下经验关系：有如下经验关系： (单位：单位：g/cm2)mmmndR21101021射线的射程：射线的射程：（二）放射层中（二）放射层中射线的自吸收射线的自吸收p 放射层的自吸收放射层的自吸收： 当当辐射层（辐射层（射线放射层）具有一定厚度时，层中某一点的射线放射层）具有一定厚度时，层中某一点的射线穿过放射层时，同样会产生吸收作用（被衰减），称为放射射线穿过放射层时，同样会产生吸收作用（被衰减），称为放射层的自吸收作用。层的自吸收作用。p 射线强度与放射层厚度的关系：射线强度与放射层厚度的关系： 由于自吸收作用，射线的强度不会随放射层厚度的增加而由于自吸收作用，射线的强度不

29、会随放射层厚度的增加而线线性性增长。对增长。对射线来说，存在以下关系（推导略）：射线来说，存在以下关系（推导略）：I/Ih)1 (heIIh放射层厚度；放射层厚度； 放射层的自吸收系数；放射层的自吸收系数；I射线射线饱和层的饱和层的射线强度射线强度；1.0 当放射层较薄时，当放射层较薄时， 射线强度射线强度随厚度增加而线性增大。随厚度增加而线性增大。n 分析：分析： 当放射层有一定厚度时，当放射层有一定厚度时，射射线强度增加较缓慢。线强度增加较缓慢。n 应用：应用： 从从天然放射性矿石的实验结果天然放射性矿石的实验结果来看，来看，射线饱和层厚度射线饱和层厚度不太大，不太大，在数值上等于被测对象

30、中能量最大的在数值上等于被测对象中能量最大的射线的射程射线的射程。I/Ih1.0 当放射层当放射层增加到某一厚度增加到某一厚度时，时，射线强度射线强度不再随厚度增不再随厚度增加而增加加而增加，这个厚度称为，这个厚度称为射线的饱和层厚度射线的饱和层厚度。 查表可知：查表可知：铀系中铀系中射线射线最大能量为最大能量为3.17MeV(辐射体为辐射体为214Bi)，射程为射程为1.54g/cm2(以质量厚度以质量厚度dm表示射程表示射程)。 当矿石粉末密度为当矿石粉末密度为1.54g/cm3时，时，射线饱和层厚度射线饱和层厚度d为：为： 查表可知：查表可知：钍系中钍系中射线射线最大能量为最大能量为2.

31、25MeV (辐射体为辐射体为212Bi) ，射程为射程为1.02g/cm2 (以质量厚度以质量厚度dm表示射程表示射程) 。 当矿石粉末密度为当矿石粉末密度为1.54g/cm3时，时，射线饱和层厚度射线饱和层厚度d为：为：cmcmgcmgddm1/54. 1/54. 132 ddmcmcmgcmgddm66. 0/54. 1/02. 132 ddm 射线、韧致辐射、湮没辐射和特征射线、韧致辐射、湮没辐射和特征X射线射线等，虽然它们的等，虽然它们的起源不一、能量大小不等，但起源不一、能量大小不等，但都属于电磁辐射都属于电磁辐射。 电磁辐射谱电磁辐射谱E=h , =c / 小小能量高能量高 大大

32、能量低能量低能量能量 E = h 动量动量 p = h / c射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 （ 10-11 米，米，keV，MeV），），来自原子核来自原子核衰变衰变, 不带电，不带电， 静止质量静止质量 0 。 射线具有波、粒二象性，因此射线具有波、粒二象性，因此也被称为也被称为 光子；光子； 光子在物质中的穿透能力很强。光子在物质中的穿透能力很强。p 几种电磁辐射的区别：几种电磁辐射的区别：射线对物质的间接电离作用射线对物质的间接电离作用 两步过程两步过程产生载能产生载能次级电子次级电子次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离第第 1 1 步步第第 2

33、2 步步三种相互作用方式：三种相互作用方式：光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 射线与射线与物质原子作用物质原子作用射线射线自由电子自由电子原子原子受激原子受激原子 光子与原子相碰撞时，光子把光子与原子相碰撞时，光子把全部能量传递给原子，壳层中某一全部能量传递给原子，壳层中某一个内层电子获得动能，克服原子束个内层电子获得动能，克服原子束缚成为自由电子，而光子本身消失，缚成为自由电子，而光子本身消失，这种过程称为这种过程称为光电效应光电效应。光电效应。光电效应中发射出来的电子叫中发射出来的电子叫光电子光电子。1、发生光电效应的条件、发生光电效应的条件入射入射 光子的光子

34、的全部能量转全部能量转移给靶原子移给靶原子 其中其中一部分能量一部分能量用于使壳层电子脱离原子核用于使壳层电子脱离原子核束缚所需的束缚所需的电离能电离能(电子在原子中的结合能电子在原子中的结合能)另一部分能量另一部分能量转化为出射光电子的动能转化为出射光电子的动能还有还有一小部分一小部分能量能量用于靶原子核反冲用于靶原子核反冲(才能才能满足动量守恒，这部分能量很小，可忽略满足动量守恒，这部分能量很小，可忽略) 发生光电效应的条件：发生光电效应的条件：(入射入射 光子的能量必须光子的能量必须大于壳层电子的结合能大于壳层电子的结合能) iBE 如果如果忽略原子核获得的反冲能忽略原子核获得的反冲能，

35、根据，根据能量守恒原理能量守恒原理，光电子光电子的动能等于入射的动能等于入射 光子的能量与电子的电离能之差光子的能量与电子的电离能之差。 光电子的动能：光电子的动能：ieBhE 其中：其中： 光电子的动能；光电子的动能； 入射光子的能量；入射光子的能量； 原子的第原子的第i壳层电子的电离能。壳层电子的电离能。eEhiB2、 光子与自由电子不能发生光电效应光子与自由电子不能发生光电效应 在光电效应过程中，除入射光子和光电子外，在光电效应过程中，除入射光子和光电子外，还需要有一个还需要有一个第三者参加第三者参加，可认为是原子核可认为是原子核，严格来讲是发射光电子之后剩余严格来讲是发射光电子之后剩余

36、下来的整个原子下来的整个原子(它带走一些反冲能量，但这能量很小它带走一些反冲能量，但这能量很小)。根据动量守恒要求根据动量守恒要求n 推论推论： 光子光子只能与原子的束缚电子只能与原子的束缚电子（实际是整个原子）（实际是整个原子）发生光电效应，发生光电效应，而不能与自由电子发生光电效应而不能与自由电子发生光电效应。3、各壳层电子发生光电效应的几率之比、各壳层电子发生光电效应的几率之比 理论上理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射出来成为光电子，出来成为光电子， 所以，所以，K层电子发生光电效应几率最大层电子发生光电效应几率最大：80%；L层次

37、之层次之、M层更小层更小。 但但电子在原子中束缚得越紧电子在原子中束缚得越紧，就，就越容易使原子核参加越容易使原子核参加相互作用过程相互作用过程， 发生光电效应的几率就越大发生光电效应的几率就越大。K：L：M100：10：14、原子的退激、原子的退激 发射光电子后，靶原子由于发射光电子后，靶原子由于内内壳层出现电子空位而处于激发状态壳层出现电子空位而处于激发状态。这种激发状态是这种激发状态是不稳定不稳定的，靶原子的，靶原子可以可以通过两种方式退激通过两种方式退激：入射入射射线光电子特征射线光电子特征X X射线射线发射特征发射特征X射线射线： 外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子恢复到较低外

38、层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子恢复到较低的能量状态。跃迁过程中，的能量状态。跃迁过程中，以特征以特征X射线的形式释放出电磁辐射，射线的形式释放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差其能量等于两个电子壳层的结合能之差。)11()(22212nnaZRhcEnX 式中：式中：h普朗克常数；普朗克常数；c光速；光速；Z原子序数；原子序数； n1，n2壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数；壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数；an正数，与内壳层的正数，与内壳层的电子数目有关；电子数目有关；R里德伯常数。里德伯常数。（莫塞莱定律）（莫塞莱定律）n 从上式可以看出：从上式可以看出：2ZEXXE

39、（ 与原子序数的平方成正比）与原子序数的平方成正比） 外层电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种外层电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为故称其为“特征特征X射线射线”。 每个元素所发射的特征每个元素所发射的特征X射线能量是特定的；反之，根据射线能量是特定的；反之，根据K系、系、L系的特征系的特征X射线能量，可用来探测某个元素的存在。射线能量，可用来探测某个元素的存在。 特征特征X射线强度的高低，表明某介质中存在该元素含量的高射线强度的高低，表明某介质中存在该元

40、素含量的高低，这就是低，这就是X射线荧光分析的理论依据。射线荧光分析的理论依据。发射俄歇电子发射俄歇电子： 壳层电子在壳层电子在跃迁过程中不发射特征跃迁过程中不发射特征X射线射线，而是，而是将激发能交给外壳层的一个电将激发能交给外壳层的一个电子，使它从原子中发射出来子，使它从原子中发射出来。这个电子称。这个电子称为为俄歇电子俄歇电子。俄歇电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子 如果在如果在L层电子向层电子向K层电子跃迁中不发层电子跃迁中不发射特征射特征X射线，则所发射的俄歇电子的能射线，则所发射的俄歇电子的能量等于：量等于：LKLLKBBBBBE2俄歇式中：式中：E俄歇俄歇俄歇电子的能量；俄歇电子的能量

41、； BK、BL靶原子靶原子K层与层与L层的结合能。层的结合能。5、光电子的能量、光电子的能量 如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的动能为：以写出光电子的动能为：ieBhE 其中：其中： 光电子的动能；光电子的动能； 入射光子的能量；入射光子的能量； 原子的第原子的第i壳层电子的电离能。壳层电子的电离能。eEhiB 对于原子序数为对于原子序数为Z的原子，其各壳层的电子的结合能可以的原子，其各壳层的电子的结合能可以用以下的近似公式计算：用以下的近似公式计算：222)13(91)5(41) 1(ZRBMZRBLZRBKMLK层

42、：层：层： 以能量为单位的里德以能量为单位的里德伯常数：伯常数： R=2.17910-18J =13.6eV 可见：电子的结合能可见：电子的结合能Bi与原子序数与原子序数Z和壳层的层次都有关。和壳层的层次都有关。由于由于光子能量一般为光子能量一般为MeV级，远大于壳层级，远大于壳层电子结合能，如：电子结合能，如：I的的BK=33keV。ieBhE对于对于hBi通常通常hEe所以：所以：6、光电效应截面、光电效应截面 原子原子的光电截面：的光电截面：n 含义：一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电含义：一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。效应的几率。n 相关因素：光电效应截

43、面与相关因素：光电效应截面与入射光子能量入射光子能量和和靶物质原子靶物质原子序数序数有关。有关。Kph45ph为原子与入射光子发生光电效应的几率；为原子与入射光子发生光电效应的几率；K为入射光子在为入射光子在K层层发生光电效应的几率；发生光电效应的几率；5 . 35hZK15hZK20CmhBK在在非相对论情况非相对论情况下，即：下，即：20Cmh在在相对论情况相对论情况下，即：下，即：其中：其中：当当靶物质为复杂物质靶物质为复杂物质时，式中时，式中Z应为有效原子序数：应为有效原子序数：nminiiZCZ11有效式中式中n在在2.24间选择间选择可见：光电效应可见：光电效应主要发生在主要发生在

44、K壳层壳层。 物质物质的光电截面：的光电截面：子数靶物质中单位体积的原N：Nph 讨论：讨论： 在以上两种情况下，都有在以上两种情况下，都有Z5，随随Z的增大，光电截面迅的增大，光电截面迅速增大速增大。 原因：原因：光电效应是光电效应是 光子与束缚电子的作用，光子与束缚电子的作用，Z越大，则电子在越大，则电子在原子中束缚得越紧，越容易使原子核参与光电过程来满足能量和动原子中束缚得越紧，越容易使原子核参与光电过程来满足能量和动量守恒要求，因而产生光电效应的几率就越大。量守恒要求，因而产生光电效应的几率就越大。 NhZ 5 . 35（在（在非相对论情况非相对论情况下：下： ）NhZ15（在（在相对

45、论情况相对论情况下：下： ）20CmhBK20Cmh 随随hv的增加而减小的增加而减小。低能时，。低能时， (h)-3.5，减小得更快一减小得更快一些；高能时，些；高能时， (h)-1，变化缓慢一些。变化缓慢一些。NhZ 5 . 35（在（在非相对论情况非相对论情况下：下： ）NhZ15（在（在相对论情况相对论情况下：下： ）20CmhBK20Cmh 原因解释：原因解释： 射线能量低时，相对而言，电子被束缚得也就越射线能量低时，相对而言，电子被束缚得也就越紧，越容易发生光电效应；而当紧，越容易发生光电效应；而当 射线能量高时，电子的束缚能相射线能量高时，电子的束缚能相对来说可忽略不计，这种电子

46、接近对来说可忽略不计，这种电子接近“自由电子自由电子”，所以光电效应截，所以光电效应截面就小。面就小。 即：即：对于低能时，电子相对束缚紧些，更易发生光电效应。对于低能时，电子相对束缚紧些，更易发生光电效应。应用：应用： 对于对于选择探测器选择探测器的的材料材料的提示：的提示：采用高原子序数的材料，可提高采用高原子序数的材料，可提高 射线的射线的探测效率。探测效率。 对对防护、屏蔽防护、屏蔽 射线射线的提示：的提示：采用采用高高Z材料材料（如（如Pb）可以有效阻挡可以有效阻挡 射线。射线。 吸收限：吸收限：n 产生条件：吸收限是在产生条件：吸收限是在入射光子能量与入射光子能量与K、L、M层电子

47、的层电子的结合能相一致结合能相一致时出现的（时出现的（吸收限等于相应壳层电子结合能吸收限等于相应壳层电子结合能）。）。 原因：原因：当光子能量逐渐增加到等于某一层电子的结合能时，这当光子能量逐渐增加到等于某一层电子的结合能时，这一壳层的电子就对光电作用有贡献。因而一壳层的电子就对光电作用有贡献。因而phph就阶跃式地上升到某就阶跃式地上升到某一较高数值，然后又随能量的增加而下降。一较高数值，然后又随能量的增加而下降。n 含义：当含义：当hv 2m0c2时，有：时，有： 当当h 远大于远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面时，随入射射线能量的增加，电子对截面的的增加速度变缓慢增加速

48、度变缓慢。)ln()ln(222hZhZcp)()02. 1(221hZhZcp)ln()ln(222hZhZcp 不论不论h 为多少为多少（不论入射光子能量位于高能区还是低能区不论入射光子能量位于高能区还是低能区），电子对截面都，电子对截面都正比于靶物质原子序数的平方正比于靶物质原子序数的平方（pZ2 ）。）。电子对效应截面与电子对效应截面与 光子能量的关系光子能量的关系n 从右图可见：从右图可见： 在能量较低时，在能量较低时，p p随光子能随光子能量线性增加；量线性增加； 高能时，高能时，p p与光子能量的变与光子能量的变化就缓慢一些。化就缓慢一些。射线与物质相互作用时，三种作用效应是射线

49、与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争相互竞争的。的。u Pb：对：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的伽玛射线，电子对效应占总效应的15；u Al：对：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的伽玛射线，电子对效应占总效应的0；n 天然伽玛射线能量范围：天然伽玛射线能量范围：03MeVn 天然岩石有效原子序数：天然岩石有效原子序数：1020 结论：结论： 当天然当天然 射线与岩石作用时，形成电子对效应的几率射线与岩石作用时，形成电子对效应的几率很小，可以忽略。很小，可以忽略。n 当当入射光子能量高于入射光子能量高于1.02MeV时，这三种效应在时，这三种效应在 射线射线与物与物质相互作用

50、时都可能发生。当质相互作用时都可能发生。当入射光子能量低于入射光子能量低于1.02MeV时，只时，只有光电效应与康普顿效应能发生。有光电效应与康普顿效应能发生。n 若用若用phph、c c、p p 分别表示入射光子与物质原子发生光电分别表示入射光子与物质原子发生光电效应、康普顿效应、电子对效应的截面，则入射光子与物质原子效应、康普顿效应、电子对效应的截面，则入射光子与物质原子发生作用的总截面发生作用的总截面为：为：pcphn 当当 时时p p = 0 。MeVE02. 1n 三种效应的截面均与物质的原子序数有关，存在下述关系：三种效应的截面均与物质的原子序数有关，存在下述关系： 5ZphZc2

51、Zpn phph和和c c均随入射光子能量增大而降低，而均随入射光子能量增大而降低，而p p在入射光子能在入射光子能量大于等于量大于等于1.02MeV以后，随以后，随E 的增大而增大。的增大而增大。 三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系 n 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三种相互作用方式比较三种相互作用方式比较 不同介质中各种效应相对为主的不同介质中各种效应相对为主的 射线能量范围射线能量范围 结论结论： 对对中等能量的中等能量的 射线射线，在各种介质中在各种介质中（不论靶物质的原子序数（不论靶物质的原子序数Z大大小

52、）小），以，以发生康普顿效应为主发生康普顿效应为主；（注注：表中：表中主要作用区主要作用区是指该作用占总效应的是指该作用占总效应的50%以上；以上； 起始作用区起始作用区是指该作用占总效应的是指该作用占总效应的5%以上。）以上。） 对对低能低能 射线与射线与重物质重物质(Z大大)，以，以发生光电效应为主发生光电效应为主； 对对高能高能 射线与射线与重物质重物质(Z大大)，以，以发生电子对效应为主发生电子对效应为主。 当当 光子穿过物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿光子穿过物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，效应和电子对效应， 射线损失其能量。射线损失其能量。 射

53、线与吸收物质原子一旦发生这三种相互作用，原来能量为射线与吸收物质原子一旦发生这三种相互作用，原来能量为h的光子就消失，或散射后能量改变，并偏离原来的入射方向。的光子就消失，或散射后能量改变，并偏离原来的入射方向。 总之，总之， 光子一旦发生作用光子一旦发生作用（只要发生一次碰撞就是一次大的能量（只要发生一次碰撞就是一次大的能量转移）转移），就从原来的入射，就从原来的入射 束中移去。束中移去。 射线的衰减（或吸收）射线的衰减（或吸收）： 射线通过介质时，由于与物质原子之间的三种相互作用，射线通过介质时，由于与物质原子之间的三种相互作用，使使 光子的数量不断的减少，物质层越厚，光子的数量不断的减少

54、，物质层越厚， 光子数量减少得越光子数量减少得越多，这种现象称做多，这种现象称做物质对物质对 射线的衰减（或吸收）射线的衰减（或吸收）。 单色窄束单色窄束 射线射线： 所谓单色窄束所谓单色窄束 射线，射线，是指是指单能单能，并并经过准直处理经过准直处理，只有只有沿沿入射方向才有射线射出入射方向才有射线射出的测量条件的测量条件。 准直装置的作用准直装置的作用：使射线源放出的：使射线源放出的 射线成为射线成为一束窄而平行一束窄而平行的射线的射线。探测器周围用屏蔽物质遮挡，从而。探测器周围用屏蔽物质遮挡，从而散射光子不会进入探散射光子不会进入探测器而被记录测器而被记录。厚厚 度度 X I0 I I0

55、：入射：入射 射线的强度；射线的强度；I：通过厚度为：通过厚度为X的吸收屏后，测得的的吸收屏后，测得的 射线强度。射线强度。 “好几何条件好几何条件”实验装置：能够使散射实验装置：能够使散射 光子不被探测器光子不被探测器记录的实验装置。记录的实验装置。 为光子与吸收物质作用的截面；为光子与吸收物质作用的截面；N为吸收物质单位体积的原子数；为吸收物质单位体积的原子数；I0为为 射线入射强度；射线入射强度；D为吸收物质厚度。为吸收物质厚度。n 设：设： 设在设在x深度处的深度处的 射线强度为射线强度为I，则在，则在xx+dx层内层内单位时间光单位时间光子数的变化子数的变化为：为：INdxdI（等于

56、在该层物质内（等于在该层物质内单位时间发生作用的光子数单位时间发生作用的光子数）对上面的方程积分：对上面的方程积分：0)0(IxINxeIxI0)(NDeIDI0)(光子束通过物质时的强度为：光子束通过物质时的强度为：xeIxI0)(NxeIxI0)(对于对于，设：，设：则窄束则窄束 射线强度的射线强度的衰减规律为：衰减规律为：N（线性衰减线性衰减(或吸收或吸收)系数系数，又称为，又称为宏观截面宏观截面 ） 结论：结论： 光子的数目随通过介质层厚度增加而减小，服光子的数目随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。从指数衰减规律。 xeIxI0)( 1、线衰减系数、线衰减系数是由于伽玛射线通

57、过物质时，发生三种是由于伽玛射线通过物质时，发生三种衰减效应的总效应之和：衰减效应的总效应之和： 指数衰减因子指数衰减因子 线性衰减系数线性衰减系数 宏观截面宏观截面 ANNApcph2、线衰减系数、线衰减系数的单位是：的单位是：cm-13、线衰减系数、线衰减系数的物理意义：的物理意义：dxIdI当射线穿过当射线穿过单位距离介单位距离介质时，单个质时，单个光子被损失光子被损失掉的几率。掉的几率。INdxdINIdxdI4、线性衰减系数、线性衰减系数与与入射入射 射线射线、作用介质作用介质有关：有关：xeIxI0)(ANApcph 射线能量高射线能量高 值小值小 吸收介质的密度吸收介质的密度大大

58、 值大值大 5、对于、对于某一确定某一确定 射线能量射线能量，每一种介质每一种介质有一有一确定的确定的线性线性吸收系数吸收系数值值，该值，该值是作用介质的吸收特性参数是作用介质的吸收特性参数。铅和铝的衰减系数铅和铝的衰减系数吸收物质原子序数高吸收物质原子序数高 值大值大 / 质量衰减系数（质量衰减系数（m）xeIxI0)(ANApcph 射线通过物质时，被吸收的多少，不仅与物质的原子序数射线通过物质时，被吸收的多少，不仅与物质的原子序数有关，尚与其密度有关。为此，引入质量衰减系数。有关，尚与其密度有关。为此，引入质量衰减系数。质量吸收系数质量吸收系数/的单位是：的单位是： cm2/g =cm-

59、1/(g/cm3)ANAmpmcmphmm,质量衰减系数质量衰减系数与与物质状态物质状态无关。无关。引入质量吸收系数后，物质的厚度一般采用引入质量吸收系数后，物质的厚度一般采用质量厚度质量厚度：xm。xxm 2cmg单位：单位：mmxxxeIeIeIxI000)( 射线在射线在化合物或混合物化合物或混合物中的质量中的质量衰减系数为：衰减系数为：式中：式中：ci第第 i 种组分的重量百分比；种组分的重量百分比； mi第第 i 种组分的质量衰减系数。种组分的质量衰减系数。.21211mmnimimccci 半吸收厚度半吸收厚度(d1/2) 射线强度减弱射线强度减弱1/2所通过吸收物质层的厚度。所通

60、过吸收物质层的厚度。xeIxI0)(212/1 de693. 0212/1nd可以可以用半吸收厚度表示指数衰减规律用半吸收厚度表示指数衰减规律：水 水泥 Al Pb137Cs 8.08 3.81 3.44 0.556 60Co 11 5.17 4.67 0.989 半吸收厚度半吸收厚度 单位：单位：cm物质层厚度物质层厚度 0 I / I 射线的防护大都选用重金属射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。铅、水泥等，构成很厚的防护墙。21212)(02ln00dxdxxIeIeIxI2/121dn窄束窄束装置装置宽束宽束装置装置厚厚 度度 X I0 I 厚厚 度度 X I0 I 探