第4章 射线与物质的相互作用-1

1、 泛指泛指核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种粒子生的各种粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重离、重离子和裂片等。子和裂片等。p 射线（核辐射）：射线（核辐射）：1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p质质 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 质质 量量 ( u )电荷电荷（e)符号符号种类种类可见：射线的本质就是核辐射粒子可见：射线的本质就是核辐射粒子 物质的构成可由单质、化合物或混合物构成（包括人体）；物质的构成可由单质、化合物或混合物构成（包括人体）；

2、 物质的状态可以是气体、液体和固体状态。物质的状态可以是气体、液体和固体状态。p 物质：物质：载能的粒子对物质载能的粒子对物质 : 1 有没有作用有没有作用 2 具体的作用机制是什么具体的作用机制是什么 3 有什么样的规律有什么样的规律 4 产生什么样的结果产生什么样的结果p 射线与物质的基本作用：射线与物质的基本作用：微观粒子间碰撞有动量和能微观粒子间碰撞有动量和能量的传递：量的传递： 库仑作用库仑作用 1 1 电离作用电离作用 2 2 电离效应电离效应 1、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引起射、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引起射线能量损失、角度偏转和强度衰减，以及

3、造成物质的辐射损伤线能量损失、角度偏转和强度衰减，以及造成物质的辐射损伤等，这些物理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与等，这些物理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与物质相互作用的了解程度；物质相互作用的了解程度； 研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许物理、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许多领域中有着重要的意义。例如：多领域中有着重要的意义。例如： 研究射线与物质相互作用的意义：研究射线与物质相互作用的意义： 射线在与物质相互作用时，一方面射线能量

4、不断损耗，另射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。 2、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实验，能提供有关原子和原子核结构方面的知识；验，能提供有关原子和原子核结构方面的知识； 3、根据射线与物质相互作用的机制、特点，设计和制造各、根据射线与物质相互作用的机制、特点，设计和制造各种核辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理实验研究工作，种核辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理实验研究工作，如射线能量的测量、强度测量

5、和各种核参数测量，以及用来寻如射线能量的测量、强度测量和各种核参数测量，以及用来寻找放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测等；找放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测等； 4、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地进行核辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防进行核辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防护层的合适的材料和厚度来阻止一定能量的某种射线的穿透；护层的合适的材料和厚度来阻止一定能量的某种射线的穿透； 5、根据射线与物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、根据射线与物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、

6、工业、农业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在工业、农业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在材料元素成分分析、固体表面层特性分析、离子注入半导体材料材料元素成分分析、固体表面层特性分析、离子注入半导体材料分析、晶格结构和辐射损伤研究等方面的应用；工业上的射线探分析、晶格结构和辐射损伤研究等方面的应用；工业上的射线探伤和测厚，材料和农作物、生物样品的辐射处理，以及肿瘤疾病伤和测厚，材料和农作物、生物样品的辐射处理，以及肿瘤疾病的诊断和治疗等。的诊断和治疗等。 可见，深入了解射线与物质的相互作用机制及射线穿过物质可见，深入了解射线与物质的相互作用机制及射线穿过物质时发生的有关现

7、象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材时发生的有关现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材料对射线的阻止作用，以及对分析核物理实验测量结果，都是非料对射线的阻止作用，以及对分析核物理实验测量结果，都是非常有用的。常有用的。 射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和熟练掌握的基础知识。熟练掌握的基础知识。 本课程讨论对象为本课程讨论对象为致电离辐射致电离辐射，辐射能量，辐射能量大于大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。即可使探测介质的原子发生电离的能量。 4.1 概述概述4.2 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作

8、用4.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.5 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减4.6 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用带电粒子辐射),(fdp重带电粒子辐射),(e快速电子非带电粒子辐射),(x电磁辐射中子 致电离辐射：辐射能量大于10eV量级的射线。EMVmvMVmv222221212121E（式中：（式中： 为内能项为内能项 ）0E弹性碰撞弹性碰撞（即动能守恒）（即动能守恒） 0E非弹性碰撞非弹性碰撞（即动能不守恒）（即动能不守恒） 0E称为称为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态，如入射粒子与处于基

9、态原子碰撞，且使原子被激发；原子碰撞，且使原子被激发； 0E称为称为第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发，如入射粒子与处于激发态的原子碰撞，且使其退激。态的原子碰撞，且使其退激。 带电带电粒子通过粒子通过库仑力库仑力与物质发生相互作用。与物质发生相互作用。相互作用过程中，满足能量守恒相互作用过程中，满足能量守恒：碰撞机制碰撞机制： 与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。p 从微观上看：从微观上看： 碰撞后碰撞后： 入射粒子能量损失；入射粒子能量损失； 或能量、方向改变后出射；或能量、方向改变后出射； 或入射粒子消失，产生新粒子。或入射粒子

10、消失，产生新粒子。p 从宏观上看：从宏观上看： 不管作用机制如何，穿过物质不管作用机制如何，穿过物质的射线强度比入射强度减小。的射线强度比入射强度减小。 、射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相互作用。互作用。、和重粒子和重粒子是是荷电粒子荷电粒子光子光子不带电不带电与靶物质与靶物质原子发生原子发生作用的机作用的机制不同制不同在靶物质中的能量损在靶物质中的能量损失情况不同失情况不同粒子被物质吸收规律粒子被物质吸收规律也不同也不同导致导致导致导致荷电粒子荷电粒子、和重粒子的和重粒子的质质量差异很大量差异很大它们在穿透它们在穿透靶物质时的靶物质时的

11、行为也不同行为也不同导致导致有必要有必要考察考察带电粒子穿带电粒子穿透靶物质时透靶物质时的行为的行为 在入射带电粒子与在入射带电粒子与电子电子的的一次碰撞一次碰撞中，中，电子能获得的最大电子能获得的最大能量能量：02max)(4EMmmME质子入射时：质子入射时：0max5001EEp 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

12、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：

13、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：

14、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

15、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。

16、 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

17、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(bremsstrah

18、lung)。 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

19、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，即入射粒子入射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，但入射粒激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其子受到偏转，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

20、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

21、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(100eV)的的入射粒子入射粒子才需要考虑才需要考虑, 其它情况下完全可以忽略掉。其它情况下完全可以忽略掉。原子原子库仑作用库仑作用反冲反冲 实际上，与核外电子的弹性碰撞是实际上，与核外电子的

22、弹性碰撞是入射粒子与整个靶原子入射粒子与整个靶原子的相互作用的相互作用。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吸收吸收过程过程： 如果靶物质厚度足够大，入射带电粒子与靶原子电子或靶原如果靶物质厚度足够大，入射带电粒子与靶原子电子或靶原子核经过多次弹性和非弹性碰撞，发生能量损失和角度偏转，快子核经过多次弹性和非弹性碰撞，发生能量损失和角度偏转，快速运动的带电粒子被慢化，最后速运动的带电粒子被慢化，最后带电粒子的动能全部耗尽，停留带电粒子的动能全部耗尽，停留在靶物质中。即入射带电粒子被物质吸收了在靶物质中。即入射带电粒子被物质吸收了。 对对MeV量级的量级的粒子和质子，整个慢化过程所

23、用的时间为：粒子和质子，整个慢化过程所用的时间为：毫微秒（气体物质中）毫微秒（气体物质中）微微秒（固体物质中）。微微秒（固体物质中）。 上述讨论中，只考虑了入射带电粒子与靶物质中单个原子的上述讨论中，只考虑了入射带电粒子与靶物质中单个原子的作用。实际上，带电粒子进入靶物质后，作用。实际上，带电粒子进入靶物质后，会遭到许多原子的许多会遭到许多原子的许多次这样的碰撞作用次这样的碰撞作用。 带电粒子与物质发生各种相互作用方式的几率大小，对于带电粒子与物质发生各种相互作用方式的几率大小，对于不同种类的带电粒子和粒子的不同能量区域，情况完全不同。不同种类的带电粒子和粒子的不同能量区域，情况完全不同。 同

24、一种相互作用几率大小，与不同的靶物质元素也有关系。同一种相互作用几率大小，与不同的靶物质元素也有关系。 这些相互作用中的各种作用方式对入射带电粒子的阻止作这些相互作用中的各种作用方式对入射带电粒子的阻止作用的贡献大小不同，在一定的情况下，可只考虑某一种起主要用的贡献大小不同，在一定的情况下，可只考虑某一种起主要贡献的相互作用，而忽略其它的相互作用。贡献的相互作用，而忽略其它的相互作用。 在讨论带电粒子与物质相互作用的时候，需要区分在讨论带电粒子与物质相互作用的时候，需要区分“轻轻”带电粒子（如：电子和正电子）和带电粒子（如：电子和正电子）和“重重”带电粒子（如：质子、带电粒子（如：质子、氘核氘

25、核d、粒子等），以及区分快速和慢速粒子，来分别进行讨粒子等），以及区分快速和慢速粒子，来分别进行讨论。论。p 小结：小结： p 重带电粒子重带电粒子(Heavy Charged Particles)： 指质量比电子质量大得多的带电粒子。如指质量比电子质量大得多的带电粒子。如粒子、质子粒子、质子p、氘核氘核d等。等。p 重带电粒子与物质相互作用的特点：重带电粒子与物质相互作用的特点： 重带电粒子重带电粒子均为均为带正电荷带正电荷的的离子离子； 重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过电离损失电离损失(与介质的核外电子的非弹性碰撞与介质的核外电子的非弹性碰撞)而损失能量，同时使介质原子而损失能量，同时

26、使介质原子电离电离或或激发激发； 重带电粒子在介质中的重带电粒子在介质中的运动径迹运动径迹近似近似为为直线直线。 本节将具体讨论本节将具体讨论粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用。 粒子是氦粒子是氦(4He)的原子核，带两的原子核，带两个单位正电荷，质量数为个单位正电荷，质量数为4。 天然核素天然核素衰变放出的衰变放出的粒子能粒子能量在量在48MeV。初始速度约在。初始速度约在(12)109cm/s。 粒子与物质相互作用的主粒子与物质相互作用的主要形式是要形式是电离电离与与激发激发。 由于由于为重粒子，与物质散为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹射作用不明显，在气体中的径迹是直线

27、。是直线。（一）射程（一）射程(Range)的定义的定义 带电粒子带电粒子沿入射方向沿入射方向所行径的所行径的最大距离最大距离，称为入射粒子，称为入射粒子在该物质中在该物质中的的射程射程R。 入射粒子在物质中行径的入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度实际轨迹的长度称作称作路程路程(Path)。对对重重带电粒子：带电粒子：射程射程路程路程；对对轻轻带电粒子：带电粒子：射程射程 10GeV，vc ），），Sion表达式中的表达式中的B项中项中的对数项起主要作用。的对数项起主要作用。 曲线曲线a段段：Sion随入射粒子能量随入射粒子能量E减小迅速往原点方向下降。减小迅速往原点方向下降。 重带电粒子在

28、物质中消耗一定能量后，粒子速度与电子轨道速度差不多时，重带电粒子在物质中消耗一定能量后，粒子速度与电子轨道速度差不多时，它要从靶物质中俘获电子，如它要从靶物质中俘获电子，如粒子俘获两个电子成为氦原子，这样带电粒子的粒子俘获两个电子成为氦原子，这样带电粒子的有效核电荷数减少有效核电荷数减少，则，则Sion减小。减小。 Sion表达式在低能区不适用，因为该式的推导中假定入射粒子速度比电子表达式在低能区不适用，因为该式的推导中假定入射粒子速度比电子轨道速度大得多才成立。轨道速度大得多才成立。4 4、Bragg曲线与能量损失歧离曲线与能量损失歧离p Bragg曲线：曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的

29、变化曲线。带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。p 能量损失歧离能量损失歧离(Energy Loss Straggling)： 能量损失歧离能量损失歧离是由是由能量损失是一个随机过程能量损失是一个随机过程所决定的。所决定的。原因原因 带电粒子在物质中损失带电粒子在物质中损失能量是一个统计过程：能量是一个统计过程： 一方面，一定能量的带电一方面，一定能量的带电粒子穿过一定厚度阻止介质粒子穿过一定厚度阻止介质时时发生碰撞数目具有一定的发生碰撞数目具有一定的概率分布概率分布； 另一方面，每次碰撞中其另一方面，每次碰撞中其能量损失的多少也是有一定能量损失的多少也是有一定分布的分布的。 一束一束单能的

30、带电粒子单能的带电粒子穿过一定厚度的介质后，透射的带电穿过一定厚度的介质后，透射的带电粒子将粒子将不再具有单一能量不再具有单一能量，而成，而成一能量分布一能量分布（能量的离散）（能量的离散）。（二）平均电离能（二）平均电离能粒子产生的电离：粒子产生的电离：原电离原电离、次级电离次级电离原电离原电离由由粒子与原子壳层电子粒子与原子壳层电子直接作用直接作用形成的电离；形成的电离；次级电离次级电离原电离中产生的电子原电离中产生的电子继续与其他继续与其他原子作用产生的电离。原子作用产生的电离。总电离总电离 原电离原电离 次级电离次级电离平均电离能平均电离能(W)每产生一对离子（包括原电离与次级电离），

31、每产生一对离子（包括原电离与次级电离），带电粒子（如带电粒子（如粒子）所损耗的平均能量。粒子）所损耗的平均能量。NEW N初始动能为初始动能为E的带电粒子被介质的带电粒子被介质完全阻止时形成的离子对数。完全阻止时形成的离子对数。粒子在空气中产生一对离子所损耗的平均能量粒子在空气中产生一对离子所损耗的平均能量(W值值)约约35.5eV。+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -带电粒子在穿过介质的带电粒子在穿过介质的路径上经电离作用产生路径上经电离作用产生的电子和正

32、离子对的电子和正离子对（三）比电离（电离密度）（三）比电离（电离密度） 入射带电粒子（如入射带电粒子（如粒子）在粒子）在每单位长度路径上每单位长度路径上产生的产生的离离子对总数子对总数称称比电离（或电离密度）比电离（或电离密度）。下图表示了下图表示了粒子在空气中的比电离与剩余射程的关系：粒子在空气中的比电离与剩余射程的关系：nWdxdESionion电离能量损失率电离能量损失率与与比电离比电离、平均电离能平均电离能之间的关系：之间的关系：iondxdEWdxdEnion比电离：比电离：W平均电离能平均电离能电离能量损失率电离能量损失率 粒子粒子刚进入介质中时刚进入介质中时， 速度快，与介质原子

33、的作速度快，与介质原子的作用时间短，比电离小；在用时间短，比电离小；在射程末端前射程末端前， 粒子速度粒子速度慢，作用时间长，有极大慢，作用时间长，有极大值；此后，能量耗尽，比值；此后，能量耗尽，比电离快速衰减到电离快速衰减到0。 粒子在空气中的比电离约粒子在空气中的比电离约6600离子对离子对/mm，产生此峰值，产生此峰值的粒子能量约的粒子能量约700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。 在曲线开始一段，比电离值上升很慢，到了快接近射程末在曲线开始一段，比电离值上升很慢，到了快接近射程末端，比电离值很快增加，过了峰值

34、之后曲线急剧下降而趋于端，比电离值很快增加，过了峰值之后曲线急剧下降而趋于零，此时即到达了射程的末端。零，此时即到达了射程的末端。原因原因p 粒子与核作用形式：粒子与核作用形式：卢瑟福散射、核反应卢瑟福散射、核反应 卢瑟福散射卢瑟福散射粒子与核库仑场作用而改变方向；粒子与核库仑场作用而改变方向； 核反应核反应粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，即产生新核并放出变化，即产生新核并放出1个或几个粒子。记为个或几个粒子。记为A（,b）B。 几个几个利用利用射线射线完成的著名的核反应：完成的著名的核反应： 利用利用210Po放出的放出的粒子轰击粒子轰击

35、9Be制成的靶，可以产生制成的靶，可以产生12C和中和中子（查德威克子（查德威克1932 ），），导致中子的发现导致中子的发现：MeVnCBe901. 5101264294 世界上世界上第一个第一个制造的制造的人工放射性核素人工放射性核素：PnAl30271934年，小居里夫妇年，小居里夫妇（约里奥（约里奥.居里夫妇居里夫妇 ）SiPT30min5 . 2,302/1 第一个第一个人工核反应人工核反应：1919年，卢瑟福年，卢瑟福)()(1117814742pHONHe214Po 7.68 MeV 粒子粒子是随是随衰变放出的衰变放出的快速电子快速电子， 粒子是电子（粒子是电子（ 衰变产生）和正

36、电子（衰变产生）和正电子（+ 衰变产生）的统称。衰变产生）的统称。 同一放射源发射的同一放射源发射的射线射线（由高速运动的电子流组成）（由高速运动的电子流组成）具具有连续能谱的特性有连续能谱的特性，这是它与，这是它与大量大量单能单能电子电子的不同之处。的不同之处。粒子平均能量：粒子平均能量：max31EEp 射线的特征：射线的特征：p 快电子（快电子（Fast Electrons）与物质相互作用的特点：）与物质相互作用的特点：快电子快电子的的速度大速度大；重带电粒子重带电粒子相对相对速度小速度小；快电子快电子除除电离损失电离损失外，外，辐射损失辐射损失不可忽略；不可忽略； 重带电粒子重带电粒子

37、主要通过主要通过电离损失电离损失而损失能量；而损失能量；快电子快电子散射严重散射严重。 重带电粒子重带电粒子在介质中的在介质中的运动径迹运动径迹近似为近似为直线直线。（一）弹性散射（一）弹性散射 粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，仅改变运动方仅改变运动方向向，动能不变的作用过程动能不变的作用过程（也不辐射能量）（也不辐射能量） 。p 含义：含义：弹性散射是弹性散射是低能低能粒子粒子与物质作用的与物质作用的主要形式主要形式。根据量子力学的理论，有：根据量子力学的理论，有： 对单个原子核，对单个原子核，粒子散射到粒子散射到角的概率与靶物质的原子序角的概率与

38、靶物质的原子序数平方成正比，与数平方成正比，与粒子的动能成反比，即：粒子的动能成反比，即：2)(ZP核 而对于而对于粒子被原子壳层中电子的散射，与靶物质的原子粒子被原子壳层中电子的散射，与靶物质的原子序数成正比，即：序数成正比，即：ZP)(电子 对于一定能量的对于一定能量的粒子，它被原子核及壳层电子的散射粒子，它被原子核及壳层电子的散射几率的比值为：几率的比值为：ZPP)()(电子核对于对于中等元素与重元素中等元素与重元素，散射形式主要是，散射形式主要是原子核散射原子核散射(例：在铝介质中由壳层电子所引起例：在铝介质中由壳层电子所引起的散射仅占的散射仅占10%)。在在氢介质氢介质中中(Z=1)

39、，两种散射效应几乎有，两种散射效应几乎有同等作用同等作用；p 反散射：反散射： 由于由于粒子粒子(电子电子)质量小，因而散射的角度可以很大，而且质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向， 粒子粒子(电子电子)沿沿其入射方向发生大角度偏转，其入射方向发生大角度偏转，又从入射表面发射出来又从入射表面发射出来(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

40、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 定义：定义：I0进入探测器之前的进入探测器之前的射线强度射线强度( (源发出源发出射线强度的初始值射线强度的初始值) )；I探测器测得的探测器测得的射线强度射线强度( (未发生散射的未发生散射的射线强度射线强度) )； 反散射的利用与避免：反散射的利用与避免： 对对放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高探测器的探测效率。探测器的探测效率。方法方法：给源

41、加一个高：给源加一个高Z厚衬底。厚衬底。原因原因：放射源的衬底可能使放射源的衬底可能使向探测器相反向探测器相反方向发射的电子方向发射的电子（放射源具有（放射源具有4发射角）发射角）散射回散射回到探测器而使计数率明显增高到探测器而使计数率明显增高（当衬底材料是（当衬底材料是高高Z值元素组成时，计数率的增加会超过值元素组成时，计数率的增加会超过50%）。 对对探测器探测器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的测量偏差测量偏差。方法方法：使用：使用低低Z材料材料作探测器的入射窗作探测器的入射窗和探测材料。和探测材料。原因原因：尽量减小：尽量减小粒子在探测器及其粒子在探测器及其周围物质中产生

42、的反散射现象。周围物质中产生的反散射现象。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，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（

43、二）电离与激发p 粒子的能量损失率粒子的能量损失率： 对对粒子（粒子（快电子），必须考虑相对论效应时的快电子），必须考虑相对论效应时的电离能量电离能量损失损失和和辐射能量损失辐射能量损失。radiondxdEdxdEdxdES 粒子与壳层电子发生相互作用，把部分能量传递给壳层电子，粒子与壳层电子发生相互作用，把部分能量传递给壳层电子，使靶物质原子使靶物质原子电离或激发电离或激发，而，而粒子本身的能量则逐渐消耗粒子本身的能量则逐渐消耗。 和和粒子一样，粒子一样，粒子由于电离作用和激发作用在单位长度上粒子由于电离作用和激发作用在单位长度上损失的能量称为电离能量损失率损失的能量称为电离能量损失率Si

44、on：ioniondxdESp 电子电子(粒子粒子)电离能量损失率的电离能量损失率的Bethe公式：公式： 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；次级电离约占约占7080。根据。根据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

45、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； 射线射线 射线射线径迹径迹 粗粗 直直 细细 弯弯 电离作用强电离作用强 电离作用严重电离作用严重 产生离子对数目多产生离子对数目多(比电离值大比电离值大径迹粗径迹粗) 电离作用电离作用 Z Z1 1Z Z2 2 /v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z Z2 2 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v v 入射粒子速度入射粒子速度p 射线与射线与射线电离效应的比较：射线电离效应的比较： 实验结果图示实验结果图示电子径迹是折线电子径迹是折线粒子径迹是一条直线粒子径迹是一条直线 5.3MeV(210Po)

46、粒子在空气粒子在空气中的射程中的射程3.83 cm（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

47、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粒子的平均能量；子的平均能量；p 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

48、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。所以当吸收材吸收材料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

49、（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，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

50、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

51、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. 313ionraddXdEdXdEAl 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

52、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： 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

53、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 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

54、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，它与一个电子或者，它与一个电子结合成结合成正电子素，即电子正电子素，即电子正电子对的束缚态

55、正电子对的束缚态，然后再，然后再湮没湮没，放放出出光子光子。p 湮没辐射：湮没辐射：正电子湮没放出光子的过程称为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：湮没光子：正电子湮没时放出的光子称为正电子湮没时放出的光子称为湮没光子湮没光子。 正电子湮没时一般放出正电子湮没时一般放出两个光子两个光子(出射方向相反出射方向相反)，放出，放出三个三个光子光子的概率仅为放出两个光子概率的的概率仅为放出两个光子概率的0.37。 从从能量守恒能量守恒出发：出发： 在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静

56、止质量。光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：即：2221cmcmhhee 从从动量守恒动量守恒出发：出发： 湮没前湮没前正、负电子的正、负电子的总动量为零总动量为零，则，则，湮没后湮没后两个湮没光两个湮没光子的子的总动量也应为零总动量也应为零。即：。即：chch21因此，两个因此，两个湮没光子湮没光子的的能量相同能量相同，各等于，各等于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。电子对的湮没电子对的湮没（一）（一）射线被物质吸收射线被物质吸收p 电子电子(粒子粒子) )穿过物质（

57、介质）的特点：穿过物质（介质）的特点： 电子与物质作用的主要方式为电离、激发、韧致辐射和散电子与物质作用的主要方式为电离、激发、韧致辐射和散射作用，具有相同能量的电子穿过同一物质时，其能量损耗仍射作用，具有相同能量的电子穿过同一物质时，其能量损耗仍有差别，总是围绕某一数值涨落。有差别，总是围绕某一数值涨落。 射线或单能电子束射线或单能电子束穿过一定厚度的吸收物质时，穿过一定厚度的吸收物质时，强度减弱强度减弱的现象的现象称为吸收称为吸收( (或衰减或衰减) )。 尽管由于尽管由于单个单个电子电子(粒子粒子)在介质中的散射和吸收，在介质中的散射和吸收，并不存在并不存在确定确定的射程的射程，然而，然

58、而对于大量单能电子对于大量单能电子(电子束电子束)或对于同一放射源发或对于同一放射源发射出的射出的射线射线，穿过某种吸收介质的最大厚度穿过某种吸收介质的最大厚度可作为特征量进行考可作为特征量进行考察。察。p 电子束电子束(射线射线) )的吸收的吸收( (或衰减或衰减) )：p 射线射程的定义：射线射程的定义： 当当射线通过介质时，射线通过介质时，几乎被完全吸收时的介质厚度几乎被完全吸收时的介质厚度，称，称为为射线的射程。射线的射程。p 单能电子束与单能电子束与射线在介质中的吸收曲线差别：射线在介质中的吸收曲线差别： 由于由于单能电子单能电子和和粒子粒子易受散射，其吸收衰减规律易受散射，其吸收衰

59、减规律不同于不同于粒子粒子。但均存在最大射程。但均存在最大射程 Rmax。 射程往往通过实验测定：射程往往通过实验测定：I0起始点起始点 (R=0)处测得的处测得的射线强度；射线强度；I与源相距与源相距R处测得的处测得的射线强度；射线强度； 射程测定实验结果：射程测定实验结果： 让让射线穿过吸收片后，射线穿过吸收片后，到达探测器，记录它的强度随到达探测器，记录它的强度随吸收片厚度的变化，作图得到吸收片厚度的变化，作图得到吸收曲线。吸收曲线。观察观察射线吸收现象射线吸收现象的实验装置示意图的实验装置示意图n 单能电子束与单能电子束与射线的吸收曲线差别：射线的吸收曲线差别： 右图为右图为1.9Me

60、V单能电子束和具单能电子束和具有相同最大能量的有相同最大能量的射线垂直进入吸射线垂直进入吸收体的吸收曲线。收体的吸收曲线。 横坐标：以吸收体面密度表示的厚度；横坐标：以吸收体面密度表示的厚度； 纵坐标：穿过相应介质厚度后的相对强度。纵坐标：穿过相应介质厚度后的相对强度。 单能电子束的吸收曲线单能电子束的吸收曲线A：存在一：存在一线性变化部分，将这部分线性延长线性变化部分，将这部分线性延长与横轴的交点为其射程。与横轴的交点为其射程。 射线射线( (粒子束粒子束) )的的吸收曲线吸收曲线B：对于：对于粒子束粒子束( (具有连续能谱具有连续能谱) )，射，射程是难以直接从吸收曲线确定的。程是难以直接