[经济学]第1章 电离辐射与物质相互作用ppt课件

1、第一章、电离辐射与物质相互作用第一章、电离辐射与物质相互作用哈尔滨工程大学核学院第一节 带电粒子与物质相互作用一、射线与物质的相互作用一、射线与物质的相互作用 射线的种类很多，能量范围也很宽，但普通只关注能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。 1.辐射的分类 1带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、粒子等。亦可称为直接致电离辐射，带电粒子经过物质时，沿着粒子径迹经过许多次的库伦力的相互作用，将其能量传送给物质。 2非带电粒子的辐射：电磁辐射射线和X射线和中子等。亦可称为间接致电离辐射，X/射线或中子经过物质时，能够会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全

2、部能量转移给它们所经过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传送给物质。 X/射线将其全部或部分能量传送给物质中原子核外的电子，产生次级电子；中子几乎总是以核反响或核裂变过程产生次级重带电粒子。中子的世界在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。中子有多大的能够性和原子核发生反响？微观截面微观截面 Microscopic Cross section设有强度为设有强度为I # / cm2 s 的单能中子束平行入射到一薄靶上，的单能中子束平行入射到一薄靶上，该薄靶厚度为该薄靶厚度为 x，靶的核密度为，靶的核密度为N。平行中子束经过薄靶后强度的变平行中子束经过薄靶

3、后强度的变化量化量I正比于入射中子束的强度正比于入射中子束的强度I、靶的厚度、靶的厚度x及靶的核密度及靶的核密度N. xNIIxINI/xNII微观截面微观截面Microscopic cross section微观截面表征了一个中子微观截面表征了一个中子和一个原子核相互作用和一个原子核相互作用发生核反响的概率发生核反响的概率大小。大小。2222 # ARINcmcm scm scm微观截面微观截面Microscopic cross section2/ / /AR NNumber of reactions nucleus sNumber of incident neutrons cm sI每种类

4、型的核反响都有相应的截面，用不同的下标表示。每种类型的核反响都有相应的截面，用不同的下标表示。seinaftsaScattering Absorption Total 微观截面工程中常用的单位：靶恩微观截面工程中常用的单位：靶恩 (barn) ，1靶靶=10-24cm2中子束入射到厚靶上中子束入射到厚靶上Neutron beam incident on a thick targettAtdRIdNINdx在在x处处dx间隔内单位面积间隔内单位面积上发生反响的中子数为上发生反响的中子数为dxNxIINdxxIdxxIxdItt)()()()(宏观截面宏观截面Macroscopic cross s

5、ection N为单位体积内原子核的数目。为单位体积内原子核的数目。where N is the number density of the target nuclei in units cm-3N/#231cmcmcmdxxIxdIt)()(xteIxI0)(方程：方程：给定边境条件下的解：给定边境条件下的解：宏观截面的物了解释宏观截面的物了解释 表征了一个中子和单位体积内一切的原子表征了一个中子和单位体积内一切的原子核发生反响的概率大小。核发生反响的概率大小。 为一个中子在介质内穿行单位间隔与原子为一个中子在介质内穿行单位间隔与原子核发生反响的概率大小。核发生反响的概率大小。dxIdIN/

6、2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 在核工程和核技术运用领域内，主要涉及辐射能量为在核工程和核技术运用领域内，主要涉及辐射能量为几几kev到到20Mev的范围内。在这个能量范围内，带电粒的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要经过库伦力与靶物质原子发生相互子穿过靶物质时主要经过库伦力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。作用，主要有四种作用方式。1带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子的核外电子经过库伦力作用入射带电粒子与物质原子的核外电子经过库伦力作用发生非弹性碰撞，引起原

7、子电离和激发。此过程中，核发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度降低，经外电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度降低，经过这种方式损失能量称为电离能量损失。普通是带电粒过这种方式损失能量称为电离能量损失。普通是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。子穿过物质时损失能量的主要方式。 2带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子核经过库伦力的相互作用，入射带电粒子与物质原子核经过库伦力的相互作用，使入射带电粒子遭到排斥或吸引，导致粒子的速度和方使入射带电粒子遭到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变

8、化。当带电粒子加速或减速时必然会产生辐射，向发生变化。当带电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，经过这种方式损失能量称为辐射能量射称为轫致辐射，经过这种方式损失能量称为辐射能量损失。损失。3 3带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞 带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而带走入射

9、粒子的一部分能量，致辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核这种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子散射严重的主要要素。阻止。此过程是引起电子散射严重的主要要素。4 4带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞 带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只需很小的带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只需很小的能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低100ev100ev的的电子才会思索。因此，对粒子的能量损失奉献很小，普通电子才会思索。

10、因此，对粒子的能量损失奉献很小，普通忽略。忽略。3.带电粒子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损失带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止身手粒子的线性阻止身手S定义为该粒子在资料中的微分能定义为该粒子在资料中的微分能量损失量损失dE除以相应的微分途径除以相应的微分途径dx，即：，即： 也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率根据带

11、电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率、辐射能量损失率Srad及核碰撞及核碰撞能量损失率能量损失率Sn组成，故有：组成，故有：对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。radnionradniondxdEdxdEdxdESSSS)()()(dxdES3.带电粒子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损失将具有一定能量的质子、氘核、将具有一定能量的质子、氘核、粒子和粒子和介子等重带电介子等重带电粒子称为快重带电粒子，将一切粒子称为快重带电粒子，将一切z2并失去了部分电子并

12、失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失射能量损失Srad都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失能量损失Sn普通很小，但重离子特别速度很低时普通很小，但重离子特别速度很低时的核碰撞能量损失的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损失可与电离能量损失Sion相当。相当。对快电子来说，电离能量损失对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能

13、量损失的重要仍是能量损失的重要方式，但辐射能量损失方式，但辐射能量损失Srad也占重要的位置，当电子也占重要的位置，当电子能量到达几能量到达几Mev时，二者几乎相当。由于电子的质量时，二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失小，核碰撞能量损失Sn所占份额很小，但这会引起严所占份额很小，但这会引起严重的散射。重的散射。二、重带电粒子与物质的相互作用二、重带电粒子与物质的相互作用 在我们感兴趣的能量范围内大约0.1Mev到20Mev的重带电粒子与物质的主要相互作用有：1与原子的电子发生非弹性碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变化；2电荷交换，即俘获和损失电子；3与核的弹性

14、碰撞卢瑟福散射；4核反响。 呵斥能量损失的主要机制是电离和激发，即电离能量损失。但是离子的种类不同，相互作用的方式有所差别。1. 能量损失率能量损失率在思索相对论的情况下，从实际上推出：在思索相对论的情况下，从实际上推出：1. 能量损失率能量损失率关于上式的几个结论：关于上式的几个结论：1电离能量损失率与重带电粒子电荷数电离能量损失率与重带电粒子电荷数z2成正比。如成正比。如和质子的速度相等，物质对和质子的速度相等，物质对粒子的阻止身手是对质子粒子的阻止身手是对质子的的4倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，穿透力越差。穿透力越差。2电离能

15、量损失率与入射粒子速度电离能量损失率与入射粒子速度v有关，而与质量无有关，而与质量无关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。因此，只需两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电因此，只需两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电荷数，那么他们的能量损失率就相等。荷数，那么他们的能量损失率就相等。3电离能量损失率与物质的电子密度电离能量损失率与物质的电子密度NZ成正比。成正比。N表表示单位体积内靶物质的原子数，示单位体积内靶物质的原子数，Z是其原子序数，那么是其原子序数，那么单位体积内的电子数是单位体积内的电子数是NZ。物质密度越大，物质中原。

16、物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，那么此种物质对粒子的阻止身手越子的原子序数越高，那么此种物质对粒子的阻止身手越强。强。4电离能量损失率与入射粒子的能量有关。 4Em0/M2m0v21. 能量损失率能量损失率2. 比电离比电离 带电粒子穿过物质时，经过电离和激发产生许多电带电粒子穿过物质时，经过电离和激发产生许多电子子离子对，把单位间隔上产生的平均离子对数称作离子对，把单位间隔上产生的平均离子对数称作比电离。比电离。3. 射程射程 带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留在物质中。它沿初始运动方向所行进的最大间隔称作在物质中。它沿初始运

17、动方向所行进的最大间隔称作入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经的实践轨迹长度称作路程。的实践轨迹长度称作路程。 重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导致其运动方向有大的改动，其轨迹几乎是直线，射程致其运动方向有大的改动，其轨迹几乎是直线，射程根本等于路程。根本等于路程。3. 射程射程能量为能量为E0的带电粒子的射程的带电粒子的射程R可以表示为：可以表示为：普通用实验测定。普通用实验测定。可以看出粒子的计数率可以看出粒子的计数率n从开场下降到降为零这段间隔内从开场下降到降为零这段间隔内被全部

18、吸收，把计数率下降为一半的透射间隔定义为粒被全部吸收，把计数率下降为一半的透射间隔定义为粒子的平均射程子的平均射程R0.对曲线对曲线a求导得到曲线求导得到曲线b，称为微分曲线，代表单位路程上，称为微分曲线，代表单位路程上的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程R0。微分曲线分布的宽度表示射程的涨落，阐明一样能量的微分曲线分布的宽度表示射程的涨落，阐明一样能量的粒子在同一物质中的射程并不完全一样，这种涨落称为粒子在同一物质中的射程并不完全一样，这种涨落称为射程岐离。射程岐离。粒子在空气中的射程数据总结出了半阅历公式：粒子在空气中的射程数据总结出了半阅历

19、公式：4. 能量岐离能量岐离上面说到了射程岐离，产生此景象的根本缘由是重带电上面说到了射程岐离，产生此景象的根本缘由是重带电粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的能量，都是一个随机量，同样此缘由导致了能量岐离能量，都是一个随机量，同样此缘由导致了能量岐离景象的出现。景象的出现。可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶后，在不同深可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶后，在不同深度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越小，而能量分布越宽，岐离越严重。小，而能量分布越宽，岐离越严重。三、电子与物质的

20、相互作用三、电子与物质的相互作用 快速电子包括射线正电子和电子和单能电子束。由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以与物质的相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大的差别。 快速电子与物质的相互作用有：1与原子的电子发生非弹性碰撞，引起原子的电离和激发；2核弹性库伦散射，散射严重；3在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射轫致辐射；4正电子或负电子的湮灭。 虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部的能量，并显著改动本人的运动方向。1. 电离损失电离损失快电子的能量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子快电子的能

21、量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在一与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在一样的能量情况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，样的能量情况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。描画电离能量损失率的公式：描画电离能量损失率的公式：2. 辐射损失辐射损失带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为延续谱的电磁辐射。其能量损失称为辐射动能，转变为延续谱的电磁辐射。其能量损失称

22、为辐射损失。损失。电磁辐射的强度应正比于电磁辐射的强度应正比于z2Z2 NE /m2。对电子的辐射损。对电子的辐射损失率公式：失率公式：可以看出几个结论：可以看出几个结论：1辐射能量损失率与辐射能量损失率与m2成反比。粒子质量越小，轫致成反比。粒子质量越小，轫致辐射强度越大。辐射强度越大。2辐射能量损失率与辐射能量损失率与Z2成正比。电子打到高原子序数成正比。电子打到高原子序数的资料时更易产生轫致辐射。用于产生的资料时更易产生轫致辐射。用于产生X射线源。射线源。3辐射能量损失率与粒子能量辐射能量损失率与粒子能量E成正比。成正比。3. 能量损失能量损失快速电子在物质中的能量损失率可表示为：快速电

23、子在物质中的能量损失率可表示为：有公式可以看出：电子的能量低时，电离损失占有主要的有公式可以看出：电子的能量低时，电离损失占有主要的位置；而电子能量较高时，辐射损失就会越来越占有重位置；而电子能量较高时，辐射损失就会越来越占有重要作用。在相对论区，有：要作用。在相对论区，有：4. 弹性散射弹性散射电子穿过物质时，运动方向的改动虽与原子核和核外电电子穿过物质时，运动方向的改动虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电子的能量变化很小，但方

24、向变化很大，这就是弹性散子的能量变化很小，但方向变化很大，这就是弹性散射。射。电子穿过物质时要先后遭到许多次原子核的弹性散射作电子穿过物质时要先后遭到许多次原子核的弹性散射作用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大于于90，甚至能够是，甚至能够是180，通常把大于，通常把大于90的散射称为反的散射称为反散射。散射。fb随反散射体厚度添加而增大，但厚度添加到一定程度随反散射体厚度添加而增大，但厚度添加到一定程度后，后，fb到达饱和。到达饱和。5. 电子的吸收电子的吸收实验阐明，对于不同的吸收介质，实验阐明，对于不同的吸收介质，m随原子序数的添加

25、随原子序数的添加而缓慢的上升，对于同一种介质，吸收系数而缓慢的上升，对于同一种介质，吸收系数m与与粒子粒子最大能量亲密相关。对铝有如下阅历公式：最大能量亲密相关。对铝有如下阅历公式：max17Em6. 射线的射程射线的射程射线在低射线在低Z资料中的射程有如下阅历公式，资料中的射程有如下阅历公式， 当当0.01E 2.5Mev时：时： 当当E2.5Mev时：时： R0=0.530E-0.106 其中，射程其中，射程R0用质量厚度表示，单位是用质量厚度表示，单位是gcm-2，E为为粒子的最大能量，单位是粒子的最大能量，单位是Mev。EERln0954.027.10412.07. 正电子与物质的相互

26、作用正电子与物质的相互作用正电子在经过物质时，与核外电子及原子核相互作用，正电子在经过物质时，与核外电子及原子核相互作用，损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐射损失。在吸收体中的径迹类似于负电子，其能量损射损失。在吸收体中的径迹类似于负电子，其能量损失率及射程也与初始能量相等的负电子一样。失率及射程也与初始能量相等的负电子一样。特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发生湮灭而消逝，同时放出两个光子。两个湮灭光子能生湮灭而消逝，同时放出两个光子。两个湮灭光子能量均是量均是0.511Me

27、v，发生的方向相差，发生的方向相差180，即总动量是，即总动量是零。零。四、其它方式的辐射四、其它方式的辐射 上述讨论了带电粒子穿过介质时的两种主要的能量损失方式电离损失和辐射损失，这也是能量低于20Mev的带电粒子与物质相互作用损失能量的主要过程。 对于高能带电粒子而言，除了上述过程外，还会引起切伦科夫辐射和穿越辐射。 切伦科夫辐射是快速带电粒子的速度大于光在介质中的速度而产生的。 穿越辐射是快速带电粒子从一种介质忽然穿越到另一种具有不同光学特性如不同介电常数的介质时产生的辐射。 上述两种辐射的能量损失与电离损失相比占的比例很小，特别是低能的粒子，完全可以不思索在能量损失之中，但是在高能物理

28、中有很重要的意义。第二节、光子与物质的相互作用第二节、光子与物质的相互作用作用方式：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瑞利散射瑞利散射 1.光电效应 光子与原子的一个束缚电子相互作用，并将本身一切能量转移给此束缚电子，使之发射出去，而光子本身消逝。T光电子的动能；h入射光子的能量；EB电子的束缚能。BEhT 光电子打出后，在其原来的壳层产生一个空穴，并且原子处于激发形状，这种激发形状不稳定，退激的过程有两种：1特征X射线产额与Z有关2俄歇电子 图1. 光电效应、特征X射线和俄歇电子的发射表示图 对于K壳层电子，发生光电效应的截面为： 其中，C1、C2为常数。可见

29、， 1原子序数Z越高越容易发生光电效应； 2光子能量越高越不易发生光电效应。2522527100)1()1(cmhZhCcmhZhCkk 光电子的角分布光电子的角分布 在光电效应的实验中，光子入射方向定为在光电效应的实验中，光子入射方向定为0o方向和方向和反方向上定为反方向上定为180o方向均未察看到光电子。方向均未察看到光电子。 1E很低时，光电子很低时，光电子 趋于趋于90o方向发射方向发射 2E添加时，光电子添加时，光电子 逐渐向前方向发射逐渐向前方向发射 图图2. 不同不同E时的光时的光电子角分布电子角分布 2.康普顿散射康普顿散射 对于能量比较高的对于能量比较高的射线，可以忽略原子壳

30、层电子的束缚射线，可以忽略原子壳层电子的束缚能而将它们视为自在电子，能而将它们视为自在电子，光子可与这些自在电子发生光子可与这些自在电子发生非弹性碰撞，称为康普顿散射。非弹性碰撞，称为康普顿散射。图图3. 康普顿散射表示图康普顿散射表示图 康普顿散射符合能量和动量守恒定律：康普顿散射符合能量和动量守恒定律： 其中，其中，是以电子的静止能量是以电子的静止能量0.511MeV为单位的入射光为单位的入射光子的能量，可知，当子的能量，可知，当E很大时，很大时， 定定值值 。2020sinsin)cos1 (1)cos1 (coscos)cos1 (11cmEcmhPchEEEEPchchEEEhhee

31、cos1511. 0E 当当=0o时时 ；=180o时时 Eemax即所谓的即所谓的“康普顿边境。康普顿边境。 和和?存在如下关系：存在如下关系： 康普顿散射截面：康普顿散射截面：0 eE,EE )(maxmin 21121 EEEEe2)1 (tgctg)()212(ln) 0(2020202020,cmhcmhhcmrZhrZZecc 可见，在光子能量很低时，康普顿散射截面与光子能量无关，仅与Z成正比，但当光子能量较高时，截面与Z成正比，近似地与光子能量成反比。 当入射光子能量添加时，康 普顿散射截面下降，但下降 速度比光电截面来得慢。 图4. 电子的康普顿散射截面与 入射光子能量的关系

32、虽然电子康普顿反响截面随入射光子能量升高而降低，虽然电子康普顿反响截面随入射光子能量升高而降低，但康普顿电子所得到的平均能量和这种能量占入射光子能但康普顿电子所得到的平均能量和这种能量占入射光子能量的份额量的份额fa是随是随E升高而不断添加的，因此可用康普顿散升高而不断添加的，因此可用康普顿散射截面和的射截面和的fa乘积来表示乘积来表示“康普顿吸收截面。康普顿吸收截面。 康普顿电子的角分布康普顿电子的角分布 当当=0o变化到变化到180o时，时， ?=90o变化到变化到0o；康普顿电子；康普顿电子的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的

33、程度。 3.电子对效应电子对效应 当光子从原子核旁经过时，受核库仑场的作用，转化为当光子从原子核旁经过时，受核库仑场的作用，转化为一个正电子和一个负电子，而光子本身消逝，此种过程称一个正电子和一个负电子，而光子本身消逝，此种过程称为电子对效应。为电子对效应。图图5. 电子对效应表示图电子对效应表示图 光子的能量转化为正负电子对的总能量动能加静止能光子的能量转化为正负电子对的总能量动能加静止能量：量： 所以要生成电子对，光子能量必需大于所以要生成电子对，光子能量必需大于2m0c2=1.022MeV,剩余的能量剩余的能量h-2m0c2作为动能在正负电子间分配。作为动能在正负电子间分配。 正电子的湮

34、没正电子的湮没 正电子经减速后就同负电子复合，并放出两个能量为正电子经减速后就同负电子复合，并放出两个能量为0.511MeV的湮没光子。的湮没光子。)()(2020 cmEcmEh 在对能量较大在对能量较大1.5MeV1.5MeV的的光子进展辐射丈量时，湮光子进展辐射丈量时，湮没光子的产生会对丈量结果呵斥一定影响：没光子的产生会对丈量结果呵斥一定影响： 湮没辐射峰湮没辐射峰 单、双逃逸峰单、双逃逸峰 图图6.6.运用运用NaINaI探测器丈量探测器丈量24Na 24Na 射线射线 得到的脉冲幅度谱得到的脉冲幅度谱电子对效应截面电子对效应截面1能量较低时，能量较低时，p随随E线性线性 添加，高能

35、时，添加，高能时， p与光子与光子 能量的变化就缓慢一些；能量的变化就缓慢一些；2无论高能低能，都有无论高能低能，都有 关系。关系。 图图7. 电子对电子对效应截面与效应截面与E的关系的关系)ln)2202202cmhEZcmhEZp稍大于2Zp 4.瑞利散射瑞利散射 即相关散射，是光子同束缚电子间的散射，散射过程中即相关散射，是光子同束缚电子间的散射，散射过程中光子偏离原方向，但其能量根本上是不变的。光子偏离原方向，但其能量根本上是不变的。 瑞利散射截面瑞利散射截面 R随随E添加而急剧减少，添加而急剧减少，E200keV时，这种散射不能时，这种散射不能忽略；在忽略；在0o时，瑞利散射最强，普

36、通在时，瑞利散射最强，普通在30o范围内，相关范围内，相关散射效应就大于非相关散射占主要位置。散射效应就大于非相关散射占主要位置。3,)(2khZkR光子的减弱：光子的减弱： 光子在物质中的衰减，是上述多种相互作光子在物质中的衰减，是上述多种相互作用的结果，因此总的减弱系数为：用的结果，因此总的减弱系数为： 由于瑞利散射的散射角度很小，能量根本由于瑞利散射的散射角度很小，能量根本不变，可以看做光子未发生过任何作用，不变，可以看做光子未发生过任何作用，因此在宽束辐射中通常可忽略因此在宽束辐射中通常可忽略R或或R值，值，而只思索光电效应、康普顿散射和电子对而只思索光电效应、康普顿散射和电子对效应对

37、光子衰减的奉献。效应对光子衰减的奉献。iRpckiRpckN)( 比较比较k、c 和和p可知：可知： 1三种效应发生的几率都随三种效应发生的几率都随Z值增大而增大，因此高原子序数的值增大而增大，因此高原子序数的物质对光子具有更好的阻挠作用，这也是物质对光子具有更好的阻挠作用，这也是NaI探测器探测效率比探测器探测效率比HPGe高的缘由高的缘由 2三者随三者随E的变化不尽一样，的变化不尽一样， k、c都随都随E添加而降低，但添加而降低，但k降低的速度要比降低的速度要比c快的多，快的多， p随随E的添加而增长的添加而增长 图图8. 光子三种效应的优势区域光子三种效应的优势区域 图图9. 铅的铅的射

38、射线截面线截面 射线衰减规律射线衰减规律 由由的定义可知的定义可知 两个相关概念：两个相关概念： 平均自在程平均自在程 半值层半值层xeEExdxExExd), 0 (),(),(),(00001693. 05 . 0lnHVL第三节、中子与物质的相互作用第三节、中子与物质的相互作用主要内容：主要内容： 作用机理作用机理 作用分类作用分类 反响截面反响截面1. 作用机理作用机理 中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的构成。作用和复合核的构成。1势散射势散射 最简单的核反响，中子波和核外表势相互作用，中子并最简单的核反响

39、，中子波和核外表势相互作用，中子并未进入靶核，而是将其本身的部分或全部动能传给靶核，未进入靶核，而是将其本身的部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。成为靶核的动能。 势散射时入射中子改动运动方向和能量，势散射前后靶势散射时入射中子改动运动方向和能量，势散射前后靶核的内能没有变化，中子与靶核系统的动能和动量守恒，核的内能没有变化，中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射是一种弹性散射。所以势散射是一种弹性散射。2直接相互作用直接相互作用 入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里发射出来，而中子却留在核内。里发射出来，而中子却留在核内。

40、 中子要发生直接相互作用，必需求具有较高的能量，普中子要发生直接相互作用，必需求具有较高的能量，普通这种作用方式是不重要的。通这种作用方式是不重要的。3复合核的构成复合核的构成 入射中子被靶核入射中子被靶核 吸收构成一个新核吸收构成一个新核复合核复合核 ，复合核的构成是中子与原子核发生作用的最重要方式。复合核的构成是中子与原子核发生作用的最重要方式。XAZXAZ1 中子和靶核在质心坐标系的总动能中子和靶核在质心坐标系的总动能EC和中子的结合能和中子的结合能B构成构成复合核的激发能复合核的激发能EX ，处于激发态的复合核有几种衰变或分，处于激发态的复合核有几种衰变或分解方式：解方式：n，p反响反

41、响 n，反响反响n，n反响反响 n，n反响反响n，反响反响 n，f反响反响 图图10. 复合核的构成和衰变复合核的构成和衰变 共振景象共振景象 当入射中子的能量具有某些特定值恰好使构成的复合核当入射中子的能量具有某些特定值恰好使构成的复合核激发态接近一个量子能级时，构成复合核的几率截面激发态接近一个量子能级时，构成复合核的几率截面就显著地增大，这种景象就叫共振景象。就显著地增大，这种景象就叫共振景象。 由实验室坐标系的动能由实验室坐标系的动能EL和质心坐标系的动能和质心坐标系的动能EC关系式：关系式： 可知，当可知，当EC值等于复合核的一个量子能级与结合能值等于复合核的一个量子能级与结合能B之

42、之差时，中子反响截面会出现一个峰值，此差时，中子反响截面会出现一个峰值，此EC值对应的值对应的EL即为发生共振时中子的动能。即为发生共振时中子的动能。CAnALEMmME 2. 作用分类作用分类 由上节的机理分析，我们可把中子与原子核的相互作用由上节的机理分析，我们可把中子与原子核的相互作用分为两大类：分为两大类： 散射：有弹性散射和非弹性散射散射：有弹性散射和非弹性散射 吸收：包括辐射俘获、核裂变、吸收：包括辐射俘获、核裂变、n，、n，p反反响等。响等。 中子的散射中子的散射 1非弹性散射非弹性散射 入射中子的一部分动能转变为靶核的内能，使靶核处于入射中子的一部分动能转变为靶核的内能，使靶核

43、处于激发态，然后靶核经过发生激发态，然后靶核经过发生射线又前往到基态，因此散射线又前往到基态，因此散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。 入射中子的能量必需高于某一数值才干发生，具有阈能入射中子的能量必需高于某一数值才干发生，具有阈能的特点，这种作用方式在快中子堆中比较常见。的特点，这种作用方式在快中子堆中比较常见。nXXnXAZAZAZ10*110)()( 2弹性散射弹性散射 弹性散射可分为共振弹性散射和势散射，前者经过复合弹性散射可分为共振弹性散射和势散射，前者经过复合核的构成过程而后者不经过；核的构成过程而后者不经过； 弹性散射过程

44、中，靶核内能没有变化，散射前后中子弹性散射过程中，靶核内能没有变化，散射前后中子靶核系统的动能和动量是守恒的；靶核系统的动能和动量是守恒的； 在热中子反响堆中，中子从高能慢化到低能起主要作用在热中子反响堆中，中子从高能慢化到低能起主要作用的是弹性散射。的是弹性散射。nXnXnXXnXAZAZAZAZAZ101010*110)( 中子的吸收中子的吸收 中子吸收反响的重要特点是中子消逝，是反响堆中影响中子吸收反响的重要特点是中子消逝，是反响堆中影响中子平衡的重要要素。中子平衡的重要要素。 1辐射俘获辐射俘获n， 发生在中子的一切能区，但低能中子与中等质量核、重发生在中子的一切能区，但低能中子与中等

45、质量核、重核作用易于发生这种反响，此反响往往伴随较高的放射性。核作用易于发生这种反响，此反响往往伴随较高的放射性。 XXnXAZAZAZ1*110)( 2n，、n，p等反响等反响 n，反响反响 此类反响的代表此类反响的代表 n，反响反响 此类反响的代表此类反响的代表HeYXnXAZAZAZ4232*110)( HeLinB427310105 HYXnXAZAZAZ111*110)( HNnO1116710168 3核裂变核裂变 反响堆内最重要的核反响，反响堆内最重要的核反响，233U、 235U、 239Pu和和 241Pu在各种能量中子作用下均能发生裂变，且低能中子在各种能量中子作用下均能发

46、生裂变，且低能中子作用下裂变能够性较大，称为易裂变同位素，而作用下裂变能够性较大，称为易裂变同位素，而232Th、238U、240Pu等只需在中子能量高于某一阈值时才干发等只需在中子能量高于某一阈值时才干发生裂变，称作可裂变同位素。生裂变，称作可裂变同位素。 常见的核裂变反响：常见的核裂变反响： 每次裂变释放出约每次裂变释放出约200MeV的能量。的能量。nXXUnUAZAZ10*2369210235922211)( 3. 反响截面反响截面 中子与原子核发生反响的截面与入射中子的能量和靶核中子与原子核发生反响的截面与入射中子的能量和靶核的性质有关，对于大多数元素，核反响截面随中子能量的性质有关

47、，对于大多数元素，核反响截面随中子能量E变化的特性大体上存在着三个区域：变化的特性大体上存在着三个区域： 1低能区低能区E1eV 在该区吸收截面随在该区吸收截面随E的减小而逐渐增大，即与中子的速度的减小而逐渐增大，即与中子的速度成反比，因此这个区域也叫成反比，因此这个区域也叫1/v区。区。 2中能区中能区1eVE10KeV 此处的中子反响截面通常都较小，多说情况下小于此处的中子反响截面通常都较小，多说情况下小于10bar，而且截面随能量的变化变得比较平滑了。而且截面随能量的变化变得比较平滑了。第二章 射线与物质的相互作用第一节第一节 引言引言学习本章的意义学习本章的意义、等带电粒子和物质的相互

48、作用等带电粒子和物质的相互作用射线和射线和x射线等不带电的粒子与物质的相互作用射线等不带电的粒子与物质的相互作用射线与物质的相互作用指的是与物质当中的原子发生作用，即与原子核射线与物质的相互作用指的是与物质当中的原子发生作用，即与原子核和核外电子发生的作用和核外电子发生的作用 射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描画为一个碰撞过程射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描画为一个碰撞过程 弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等 非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等射线与物质的相互作用主要分为四类：射线与物质的相互作用

49、主要分为四类：1. 射线与核外电子的非弹性碰撞：电离、激发射线与核外电子的非弹性碰撞：电离、激发电离：电离：入射的粒子将一部分能量经过库仑力传送给了靶原子核外的电子。核外电子获得入射的粒子将一部分能量经过库仑力传送给了靶原子核外的电子。核外电子获得能量足以抑制原子核对它的束缚而变成自在电子时，靶物质的原子就变成了能量足以抑制原子核对它的束缚而变成自在电子时，靶物质的原子就变成了一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分别成了一个自在电子和一个正一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分别成了一个自在电子和一个正离子。离子。假设发射出来的自在电子具有足够的动能，还能够与其它的靶原子核继续发生碰假设发

50、射出来的自在电子具有足够的动能，还能够与其它的靶原子核继续发生碰撞电离。撞电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。 假设原子的内壳层电子假设原子的内壳层电子(像像K层、层、L层电子层电子)被电离，便会在该壳层上留下空穴被电离，便会在该壳层上留下空穴,外外层的高能级电子就要向内层的空穴跃迁层的高能级电子就要向内层的空穴跃迁.多余的能量就会以特征多余的能量就会以特征x射线或者俄射线或者俄歇电子的方式发射出来。歇电子的方式发射出来。激发激发: :假设入射粒子传送给靶原子核外电子的能量还比较小，缺乏以使其电离，但依然假设入射粒子传送给靶原子

51、核外电子的能量还比较小，缺乏以使其电离，但依然可以使其从低能级形状向高能级形状跃迁，其结果是使靶原子处于激发形状。可以使其从低能级形状向高能级形状跃迁，其结果是使靶原子处于激发形状。处于激发形状的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放出来处于激发形状的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放出来的能量以光的方式发射的能量以光的方式发射( (这就是受激原子的发光这就是受激原子的发光) )。这与原子核处于激发态，。这与原子核处于激发态，退激时发出退激时发出射线的本质不同。射线的本质不同。 入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激发，是入射粒子与核外电子

52、发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激发，是射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失. . 2.2.射线与核外电子的弹性碰撞：散射射线与核外电子的弹性碰撞：散射 当入射粒子的能量较低时，入射粒子与靶原子核外电子发生弹性碰撞，入射当入射粒子的能量较低时，入射粒子与靶原子核外电子发生弹性碰撞，入射粒子改动其运动方向，核外电子的能量形状没有什么变化。通常把这种景象粒子改动其运动方向，核外电子的能量形状没有什么变化。通常把这种景象称之为散射。称之为散射。3.3.射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射 入射粒子接近

53、靶物质的原子核时，遭到靶原子核的吸引或者排斥，入入射粒子接近靶物质的原子核时，遭到靶原子核的吸引或者排斥，入射粒子运动的速度和方向发生改动。随着入射粒子能量的减弱，有一射粒子运动的速度和方向发生改动。随着入射粒子能量的减弱，有一部分动能转化成能量延续的电磁辐射部分动能转化成能量延续的电磁辐射轫致辐射。入射粒子与原子核轫致辐射。入射粒子与原子核的这种相互作用叫做非弹性碰撞。的这种相互作用叫做非弹性碰撞。4.4.射线与原子核的弹性碰撞：吸收射线与原子核的弹性碰撞：吸收 入射粒子接近靶物质的原子核时，改动了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子接近靶物质的原子核时，改动了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子将

54、动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使核激发，而是传送给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒核激发，而是传送给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒子可在靶物质中继续进展多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中。子可在靶物质中继续进展多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中。第二节第二节 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子：比电子质量大的多的荷电粒子重带电粒子：比电子质量大的多的荷电粒子(粒子、质子、氘核粒子、质子、氘核 ). ).主要与物质中靶原子核中的核外电子发生非弹性碰撞主要与物质中靶原子

55、核中的核外电子发生非弹性碰撞( (使得原子发生电离或者激使得原子发生电离或者激发发) )。与原子核发生弹性碰撞的几率很小。与原子核发生弹性碰撞的几率很小; ;快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，才需求思索由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。才需求思索由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。 碰撞后入射粒子的运动方向几乎坚持不变。重的带电粒子在物质中的运动

56、径迹近碰撞后入射粒子的运动方向几乎坚持不变。重的带电粒子在物质中的运动径迹近似直线。似直线。重带电粒子的能量损失：重带电粒子的能量损失：入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快速入入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。把核外电射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。把核外电子看成是靶物质中的一个子看成是靶物质中的一个“自在电子。入射带电粒子与靶物质核外电子之间自在电子。入射带电粒子与靶物质核外电子之间的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原

57、子中的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原子中作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于“静止形状。静止形状。1222402024lnm vdEz e NZdxm vI1).能量损失率与入射粒子质量无关，能量损失率与入射粒子质量无关，而只与它的速度有关。而只与它的速度有关。2).能量损失率与入射粒子的电荷数能量损失率与入射粒子的电荷数平方成正比。平方成正比。3).能量损失率与靶物质的能量损失率与靶物质的NZ成正比。成正比。密度越大，原子序数越高的物质，对密度越大，原子序数越高的物质，对入射粒子的阻止身手越大。入射粒子的阻止身手越大。在中能区

58、在中能区0.2MeV20MeV，入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的，入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的添加而减小；在低于添加而减小；在低于500I的能量处，曲线有一最大值；在高能区的能量处，曲线有一最大值；在高能区20MeV, 入射粒子的速度接近于光速入射粒子的速度接近于光速c，电离能量损失率随入射粒子能量的添加而缓，电离能量损失率随入射粒子能量的添加而缓慢上升，在小于慢上升，在小于3mc2附近的能量处有一宽的极小值。附近的能量处有一宽的极小值。l 带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质 中。中。

59、 l 入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点速度等于入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点速度等于0之间的直线之间的直线间隔，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影，间隔，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影， 称之为入射粒子在该物质中的射程，以称之为入射粒子在该物质中的射程，以R表示。表示。 l路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实践轨迹的长度。路程大于或者等于路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实践轨迹的长度。路程大于或者等于射程。射程。l1).入射粒子在吸收物质中的射程入射粒子在吸收物质中的射程R与其质量与其质量m及能量及能量E有关。入射

60、粒子质量有关。入射粒子质量越小，能量约大，速度越大，射程越长越小，能量约大，速度越大，射程越长l2).射程射程R和吸收物质的电子密度和吸收物质的电子密度NZ成反比。成反比。l粒子在空气中的射程：粒子在空气中的射程： l重带电粒子在其它物质中的射程：重带电粒子在其它物质中的射程：000ARRA 0302204VmmdvRze NZB320.318R cmE 粒子在某物质中的射程为：粒子在某物质中的射程为： 假设吸收物质为化合物或混合物，假设吸收物质为化合物或混合物，403.210ARR1122iiAWAWAWA 第三节第三节 电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用 电子与物质的相互作用主要有三