第五章射线与物质相互作用

1、 第五章 射线/辐射与 物质的相互作用西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院第五章 射线/辐射与物质的相互作用5.1 辐射与物质相互作用概述辐射与物质相互作用概述5.2 重带电粒子与物质相互作用重带电粒子与物质相互作用5.3 射线与物质相互作用射线与物质相互作用5.4 /X 射线与物质相互作用射线与物质相互作用5.5 中子中子与物质相互作用与物质相互作用5.1 辐射与物质相互作用概述辐射与物质相互作用概述 一常用的核辐射类型及特征二致电离辐射的种类三辐射与物质相互作用种类四 弹性碰撞和非弹性碰撞五. 带电粒子在物质中的慢化辐射：指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射，并在其中

2、传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。辐射分类：物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。 核辐射粒子类型：就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要有辐射、 辐射、 辐射和 中子辐射等。一一 常用的核辐射类型及特征（致）电离辐射：（致）电离辐射：电离是从一个原子、分子或其它束缚态放出一个

3、或几个电子的过程；（致）电离辐射就是通过与物质相互作用能够直接或间接地使物质的原子、分子电离的辐射。不同原子的电离需要的能量不同。电离辐射截止能量：一种辐射 在某种介质中可能是致电离辐射，在另一种介质中可能不是，因此电离辐射的范围，应选一截止能量，在此能量之下可认为辐射是非电离的；而截止能量的选取依情况而定，如对于放射生物学适用的值约为10eV。以此为界，远紫外辐射以及波长更大的紫外光、可见光、无线电波等辐射都属于非电离辐射；而、等所有的核辐射都属于电离辐射。这些核辐射与物质相互作用结果都是电离，以后转化为热。各种辐射之间的区别，不在于他们的产物，而在于其电离分布。二致电离辐射的种类带电粒子辐

4、射( , ,)p df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：能量大于10eV量级的射线。二致电离辐射的种类辐射辐射/射线与物质相互作用：射线与物质相互作用：是辐射进入物质发生的一些过程，在此过程中入射粒子的能量和（或）方向发生了变化，或者粒子被吸收了。相互作用后，可能发射一个或多个次级粒子。入射粒子的电荷、质量、能量不同，发生作用的相互作用过程不同。 带电粒子可以通过与物质原子（核）的电磁场与之发生相互作用（库仑力），将能量传递给物质，使原子直接电离。不带电粒子（光子、中子）不能直接是原子电离，它们的相互作用中首先将能量转移给次级带电粒子，这些次级

5、带电粒子再产生电离，因此，不带电粒子是间接电离粒子。 三辐射与物质相互作用种类表表直接电离间接电离致电离辐射三辐射与物质相互作用种类 辐射与物质相互作用是核物理、高能物理实验、核辐射探测器以及核技术及应用的基础。只有当辐射穿过物质并和物质发生相互作用时才会留下有关辐射的种类、能量和强度等信息。三辐射与物质相互作用种类 相互作用过程中，满足能量守恒：222211112222mvMVmvMVE 当E = 0时，弹性碰撞； 当E 0时，非弹性碰撞； E 0时，与基态原子碰撞，原子被激发； E 2的所有失去部分电子的原子（正离子态）或过剩电子的原子（负离子态）。能量损失率/阻止本领： 入射带电粒子在物

6、质中经过单位路程损失的能量。或者称为物质能量的对带电粒子的阻止本领，dESdx 包括：电离损失率，辐射损失率、核碰撞能量损失率（核阻止本领）。ionradndEdEdEdEdxdxdxdx 即：假设： 入射粒子与“自由电子”发生碰撞； 入射粒子与“静止”电子发生碰撞； 入射粒子的电荷态是确定的。Pft在时间t内传给电子的动量，Pf dt因此，在全部相互作用中，传给电子的总动量，222()zeezefrr 距离入射带电粒子r的电子受到库仑力，一电离损失率2301.4ybze bffrrdxdtv由于， x方向的动量分量为零。yyPPfdtv近似看作常数，则有:222322 3/20001112.

7、44()4zebdxzebdxzePvrvxbbv 碰撞参数为b的电子获得的动能，224222012() .24beePz eEmm v b一电离损失率()2bb dbbdEb db dx NZE 入射粒子经过dx距离，碰撞参数为bb+db范围内的电子得到的能量为，maxmin2422014() .4bbionedEz e NZdbdxm v b 入射粒子在单位距离内损失的能量，242max20min14() .ln4ebz e NZm vb一电离损失率因重离子能量损失为一有限值，因此bmin、 bmax不可能为零，也不可能为无穷大。一电离损失率 显然，碰撞参数b越小，碰撞中电子获得的能量越多

8、，根据经典碰撞理论，重离子与电子对心碰撞时，电子获得的能量最大，约为2mev2。因此，当b=bmin时， （Eb）min= 2mev2242220min12() .4ez em v b 所以：2min201.4ezebm v而上限bmax对应电子获得最小能量的阈值，可由电子在原子中的结合能来确定。因与带电粒子碰撞的电子不是自由电子，是核外束缚电子，带电粒子与电子的碰撞是非弹性碰撞，即电子只能从带电粒子处接受大于其激发能级的能量。引入一个参数I平均激发能，即对靶原子中个壳层电子的激发能和电离能求平均。在上述碰撞过程中，电子获得的能量至少为I，即（Eb）maxI。1 22max012.4ezebv

9、m I即：bmax对应电子获得的最小能量，需大于靶原子的平均激发能I ，所以：一电离损失率1 2224220214() .ln4eionem vdEz e NZdxm vI将bmin对、bmax代入得：而从量子理论推导出的非相对论下的公式为：一电离损失率224220214() .ln4eionem vdEz e NZdxm vI与上式相比，仅在对数项上有差别。进一步考虑相对论及其它修正因子，推导出来的重带电粒子电力能量损失率的精确表达式称为Bethe-Block公式。Bethe-Block公式：22()io nio nd EzN ZSvd xv242220214( )() .lnln(1( /

10、 ) )( / )42eem vevc vc vmI一电离损失率式中：me，e电子的静止质量与电荷；z，v入射重带电粒子的电荷数与速度； v /c，c光速；Z 、N 分别为靶介质的原子序数及其单位体积（1cm3）内的原子数目；I靶介质原子的平均激发和电离电位，取决于靶介质物质的性质，一般 由实验来确定，可近似描述为I=16Z0.9eV(Z1) 或I=I0Z, I010eV左右* ；密度效应修正系数。公式适用条件：适用于带电粒子速度大于大于介质原子中电子轨道运动速度的各种带电粒子。而对能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度想当时，公式不再适用。* 注：清华大学工程物理系编核辐射及探测学，

11、清华大学教材，2010. 王晓莲，李澄，邵明，等编粒子探测技术，中国科技大学出版社，2009.几点讨论：例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S与入射粒子质量无关，只与电荷与速度有关。1200( )( )mmSvSv2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比，例如，相同速度的p与，S=4Sp 。一电离损失率11220022( )( )mmzSvSvz3、S与靶物质的电子密度NZ成正比，SNZ一电离损失率一电离损失率4、S与v2的关系 a段： v2很小（E/n500I) ， S 1/v2阻止本领近似有1/E的形式，即阻止本领随入射粒子的能量增加而减小，在该能区相对论效应很小，对

12、数因子变化不大。 在该段区域可以理解为带电粒子的速度越慢，掠过电子附近时的作用时间越长，电子获得的动量也就越大，因此，入射粒子的能量损失也越大。一电离损失率c段：v2较大(mc2E/n500I)，对应的入射粒子能量较高，Bethe公式中对数因子和相对论修正项起作用，使Sion上升；极小值出现在3mc2附近。 一电离损失率Bragg曲线：带电粒子的能量损失率（或称作“比能损失”）沿其径迹的变化曲线称为Bragg曲线初始能量为几MeV 的 粒子在径迹的绝大部分区域中， 粒子的电荷数为2，必能损失出略地反比于粒子能量，Bragg曲线随穿透距离（能量下降）的增大而上升。接近径迹末端， 粒子能量已很低，

13、 Bragg曲线下降，直至零。图中单个粒子的径迹曲线和初始能量相同的平行粒子束的平均特性曲线的差异是由于单能粒子束在介质中的“能量歧离”造成的。二重带电粒子的射程能量岐离：由于各入射带电粒子与物质的微观相互作用是随机性的，因而其能量损失是一随机过程。能量损失率计算公式只是此过程的平均值的描述。实际上，同样能量的入射粒子经过一段距离后，各个粒子的能量损失不会是完全相同的。因此，单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而是发生了能量离散称作“能量歧离”。 离散后的粒子能量分布的宽度可作为“能量歧离”的量度，它随沿粒子行进的距离而改变。单能粒子束在其径迹各点的能量分布的相对宽度随穿透距离增加而

14、变大。能量损失的歧离分布可以用高斯分布来描述。二重带电粒子的射程二重带电粒子的射程二重带电粒子的射程射程R ： 带电粒子在物质中沿初始入射方向穿过的最大距离。路程： 带电粒子在物质中实际经过的轨迹。 对重带电粒子，射程=路程； 对轻带电粒子，射程1或vc/n时，才能发生切伦科夫辐射。 1cosACcABnvn/ACABcnv正粒子与物质的相互作用与粒子基本相同。正电子正电子进入物质后与物质发生相互作用进入物质后与物质发生相互作用的的能量损失机制能量损失机制和和电子的相同电子的相同。但是，。但是，当它的能量与周围物质达到当它的能量与周围物质达到热平衡时热平衡时，将与物质中电子发生湮没。一对电子的

15、将与物质中电子发生湮没。一对电子的静止质量转变为两个湮没光子（又静止质量转变为两个湮没光子（又称湮称湮没辐射没辐射）的能量。）的能量。 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 %） 5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5) 5) 射线与物质的衰减和射程射线与物质的衰减和射程5.3 5.3 射线与物质的相互作用射

16、线与物质的相互作用粒子在物质中衰减粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。半所经过的厚度。0121ln22IID时，粒子经过粒子经过10倍半吸收厚度，剩余倍半吸收厚度，剩余1/1024。小。小 于于1/1000，故将，故将10倍半吸收厚度定义为倍半吸收厚度定义为粒子粒子 的射程。的射程。射程单位：射程单位：cm，g/cm25) 射线与物质的衰减射线与物质的衰减5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 由于电子易受到散射而改变方向，因此，很薄的吸收体就能使被测电子束失掉一些电子。由此造成透射过吸收片的电子数与吸收体厚度的关系曲线从

17、开始就下降。当吸收体厚度足够大时此曲线趋近于零。一般将吸收曲线的线性部分外推到零而得到外推射程，也可以将吸收曲线的为0.5时对应的吸收体厚度定义为平均射程。 射线不同于单能电子，由于射线能谱连续分布，低能粒子在薄吸收体中就迅速被吸收，因此投射曲线初始部分的衰减快得多，曾近似指数衰减形式。 5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用电子的吸收曲线：单能电子，近似线性；源，厚度t比最大射程小很多时，近似指数衰减， I=I0e-te由于散射严重，不确切。常用外推射程表示单能电子的穿透能力；用最大射程表示源的穿透能力。bmmmmaERbaER5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质

18、的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用相同物质相同物质,相同速度相同速度22221121zmzmRR5.3 5.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用5.4 /X射线与物质的相互作用 光子不带电； 光子与电子或原子核存在电磁相互作用， 在一次作用中损失全部能量或大部分能量。 射线是能量很高的电磁波，具有波粒二象性。 一光电效应 二康普顿散射 三电子对效应 四 射线的吸收5.4 /X射线与物质的相

19、互作用特点概述： 光子（包括X射线和射线）是非带电粒子，他不能像带电粒子那样与原子作用产生电离、激发而不断地损失能量。光子与物质的相互作用是一种单次性的随机事件。就各个光子而言，他们穿过物质时只有两种可能：要么发生作用后消失或转换成另一种能量与运动方向的光子，要么不发生任何相互作用而穿过物质。一旦发生作用，入射光子的全部或部分能量就转化为所产生的次级电子的能量。 大量入射光子的宏观效果是光子穿过有限厚度的介质后必有一部分光子消失，但仍有一部分毫无变化的穿过。因此，射程也最大吸收厚度对光子是没有意义的。光子与物质发生 作用的可能性，用概率描述，大小用反应截面表示。5.4 /X射线与物质的相互作用

20、5.4 /X射线与物质的相互作用光子与物质相互作用机制： 光电效应、康普顿散射、电子对效应、汤姆逊散射、瑞利散射。 在前三种作用机制中，入射光子的部分或全部能量转换成次级电子能量，同时入射光子或者完全消失，或者被散射成另一种能量和方向的光子。 后两种作用过程可以看成光子的几乎没有明显的能量转移，不作详细讨论。两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 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 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离/X射线射线第 1 步初级作用第 2 步次级作用/X射线对物质的电离作用5.4 /X射线与物质的相互作

21、用自由电子自由电子原子原子受激原子受激原子 一光电效应1)1)作用机制作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 一光电效应 + A A* + e- （光电子） 原子 (1)A + X 射线 或 (2)A +e-(俄歇电子) 一光电效应入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。光子与自由电子（不存在+e e的反应）不能发生光电效应，只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。K层电子发生光电效应几率最大、L层次之、M层更小。实际上，80得光电效应发生在与K层电子得作用上。光电效应伴随着特征X射线或俄

22、歇电子的发射。发射光电子后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。2）特点：）特点：2hmchmcmvc一光电效应入射入射射线光电子特征射线光电子特征X射线射线 处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：外层电外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。电子壳层的结合能之差。)11()(21222nnZRhCEnx2）特点：）特点：一光电效应壳层电子在跃迁过程中不发射特壳层电子在

23、跃迁过程中不发射特征征X射线，而是将激发能转移给射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发一外壳层电子，使它从原子中发射出来。射出来。俄歇电子俄歇电子 电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其射线。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，故称其为征的，故称其为“特征特征X射线射线”。2）特点：）特点：一光电效应3）光电子的能量：通常，ih所以，eEh一光电效应一个入射光子与电位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。 光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关。总体而言，光电

24、截面随光子的能量增加而减小，随物质原子序数的增大而急剧增大。一光电效应光电截面ph的主要特征20hm c7 2245032Kphthm cZh当20hm c24501.5Kphthm cZh当其中， =1/1375KphZ7 21()()Kphhh一光电效应总光电截面ph ：KLMphphphph 光电效应主要发生在K壳层上：45Kp hp h一光电效应由于 ，即原子序数Z越大的原子，电子在原子中束缚越紧，也容易使原子参与光电过程以满足能量和动量守恒，因此使产生的光电效应截面越大。由此，通常选用高Z材料做探测器以获得对光子较高的探测效率。也选用高Z材料作为光子的屏蔽材料。另外k层的光电截面随光

25、子能量增加而减小，低能比高能时减小的要快一些。5KphZ一光电效应图：原子的光电效应截面随 光子能量的变化 图示光电效应截面随光子能量的增加而减小。在hv 0 的射线.二、二、 康普顿效应康普顿效应 实验装置实验装置二、二、 康普顿效应康普顿效应实验结果实验结果04590135（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）I 1 波长的偏移波长的偏移( ) 与与散射角有关散射角有关.0 2 与散射与散射物体无关物体无关.00二、二、 康普顿效应康普顿效应二、二、 康普顿效应康普顿效应 ( (1) )入射入射光子光子与散射物质中束缚微弱的与散射物质中束缚微弱的电电子子弹性弹性碰撞碰撞时，一部分能量传给

26、电子，散射时，一部分能量传给电子，散射光子光子能量减少能量减少，频率下降、，频率下降、波长变大波长变大。定性分析定性分析 ( (2) )光子光子与原子中束缚很紧的电子发生与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个碰撞，近似与整个原子原子发生弹性发生弹性碰撞碰撞时，时，能量不会显著减小，所以散射束中出现与能量不会显著减小，所以散射束中出现与入射光入射光波长相同波长相同的射线。的射线。康普顿效应康普顿效应: :入射光子与原子的核外电子发生碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来（康普顿电子），而光子的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子（继续在靶材料中行进）的现象。 康普顿效应与光电效应

27、的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。 二、二、 康普顿效应康普顿效应 散射光子，散射角 ； 反冲电子，反冲角 。与原子外层电子的散射， “自由电子”； 光子的一部分能量交给电子，使电子从原子中发射出来，光子的能量和方向发生改变。轨道电子速度远小于光速， “静止电子”。 散射光子还可继续发生Compton散射和光电效应。二、二、 康普顿效应康普顿效应二、二、 康普顿效应康普顿效应1、能量与角度关系未知数：h，Ee ， ， 。根据能量守恒：220021m chm ch02

28、coscos1mchhcc根据动量守恒：02sinsin1mchc联解得到康普顿移动：220(1cos )hhhm c解得：201(1cos )hhhm c201(1cos )ehEhhm ch2012hctgtgm c二、二、 康普顿效应康普顿效应2、几点讨论、几点讨论(1) 散射光子和反冲电子的能量是连续的。 大，Ee大，h小； 小，Ee小，h大。(2) 几种特殊情况： =0，h=h ； =，h= (h)min ；二、二、 康普顿效应康普顿效应当 =180时，入射光子与电子对头碰撞，沿相反方向散射过来，而反冲电子则沿入射光子方向飞出，这种情况称为反散射。这时散射光子能量最小： 即当入射光子

29、能量很高时， 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。二、二、 康普顿效应康普顿效应min2112121140.511ehvhvhvmchvhv(3) 散射角与反冲角存在一一对应的关系。(4) 当h m0c2时，Ee h 。二、二、 康普顿效应康普顿效应2012hctgtgm c3、康普顿散射截面和角分布cdd( )cdd( )cdd222011cos1(1cos )2cdZrd 222(1cos )(1cos)1(1cos )Klein-Nishina公式：二、二、 康普顿效应康普顿效应)(,ddec二、二、 康普顿效应康普顿效应散射光子角分布 ：指一个入射光子入射到单位面积只包含

30、一个电子的介质上时，散射光子落在方向单位弧度立体角内的概率。能量较高的入射光子有强烈的向前散射趋势，而能量较低的入射光子向前和向后散射的概率相当。)(,ddec二、二、 康普顿效应康普顿效应单个电子的康普顿散射总截面：, c eceddd, c eceddd整个原子的康普顿散射总截面：在入射光子能量比原子中电子的最大结合能大得多时，即使原子的内层电子也可以看成是 “ 自由的”，也能与入射光子发生弹性碰撞。因此整个原子的康普顿散射总截面将是它与各个电子的康普顿散射截面之和。即：cceZ二、二、 康普顿效应康普顿效应（1）当h m0c2时，22002021ln2cm chZrhm c即当入射光子能

31、量较高时， c仍与Z成正比，但近似地与入射光子能量成反比，随光子能量的增加而减小。二、二、 康普顿效应康普顿效应当入射光子能量增加时，康普顿散射截面呈下降趋势，但其下降速度比光电截面要慢。4、反冲电子角分布和能量分布2 sin2 sineedddddd 由反冲电子能量和方向与散射光子能量和方向的一一对应关系，可以得到：sinsineedddddd 由此得到反冲电子微分截面与散射光子微分截面的关系： 可以由散射光子微分截面求得反冲电子微分截面。二、二、 康普顿效应康普顿效应反冲电子角分布：2 sineeddd eddd2 sineeedddd二、二、 康普顿效应康普顿效应反冲电子能量分布：0Ee

32、max，其分布可用反冲电子的能量微分截面描述，表示反冲电子的能量落在Ee处单位能量间隔内的概率，即反冲电子能谱：2,0222022202.2 sin.()2()1. 2() .()c ec ec ec eeeeeeeeeeddddm cdddEddEddEhvEdrEhvEhvEm chvEEhv与入射光子能量h相差200keV。（对应的散射光子最小能量200keV）康普顿边缘：max2012ehEm ch 二、二、 康普顿效应康普顿效应图示可以看出，单能入射光子所产生的反冲电子能量是连续分布的，在较低能量处，反冲电子数随能量变化较小，呈平台状，称康普顿坪。在最大能量Eemax处反冲电子数目最

33、多，呈现出尖锐的边界，称为康普顿沿（Compton edge）。 实际当中，考虑到原子中轨道电子运动的影响，反冲电子能谱被展宽，向低能方向移动，康普顿沿被平滑。二、二、 康普顿效应康普顿效应电子对效应的特征： 光子从原子核旁经过，在核的库仑场作用下，光子转化成为正负电子对。1、能量关系 从能量守恒：202eehEEm c202hm c电子对效应发生的条件：20,0(2)eeEEhm c电子动能范围：三电子对效应2、电子对效应必须在有原子核参加（才能满足能量守恒与动量守恒）时才能发生。核反冲能量很小忽略。 原子核带走多余的动量，又不带走过多的动能。三电子对效应3、发生电子对效应后，入射光子消失，

34、其能量转化为正负电子的动能。正负电子获得的动能之和为： ，该能量在正负电子之间任意分配，因此正负电子的能量取值范围： 0202hvm c202hvm c3、 在电子的库仑场中也可以发生电子对效应，即三粒子生成效应。由于电子质量小，反冲能量大，所以在电子库仑场中产生的电子对的最低光子入射能量 三粒子生成效应中，光子能量将在所产生的正、负电子对和原子电子之间分配，三粒子生成概率远小于在核库仑场中产生电子对的概率。204hmc三电子对效应3、电子对效应之后伴随正电子湮没。21202hhm c12hhcc2120511keVhhm c三电子对效应 如果吸收物质足够大，吸收的总能量为：202eeEEEm

35、 c正负电子来自何方？ 不是从原子核中释放的； 如果一个湮没光子从吸收物质逃逸，2200eeEEEm chm c 如果两个湮没光子都从吸收物质逃逸，202eeEEEhm c 也不是来自原子中的电子轨道； 是射线转化而来，是物质不同形态的转化。h三电子对效应4、截面22()ln()pZhZh202hm c202hm c三电子对效应在能量较低时，p随光子能量线性增加；在高能时， p随hv的变化变慢。但均有： p z2。即电子对效应与吸收物质原子序数的平方成正比。 202hm c 当入射光子能量不同时，各种作用截面不同； 当 时，三种作用都可能发生，入射光子与物质原子作用的总截面为：phcp202h

36、m c当 时，p=0。三电子对效应小结： 低能、高Z，光电效应占优势；5phZ72()phh光 电效 应康普顿散 射电子对效 应cZ2pZ1()hh0()ch1()hhphln()hh 高能、高Z，电子对效应占优势； 中能、低Z，康普顿散射占优势。瑞利散射是把原子作为整体的一个相干散射，散射角非常小，光子与原子之间几乎没有能量转移，原子的反冲仅“维持”动量守恒。相干散射是唯一不产生电离的过程。瑞利散射瑞利散射相干散射相干散射汤姆逊散射汤姆逊散射 同瑞丽散射相似，汤姆逊散射也可以看作是没有能量转移的过程。在此过程中，被视为“自由”的电子在入射电磁波的作用下发生振荡，振荡电子发射和入射波相同频率的

37、辐射（光子）。汤姆逊散射是弹性散射，其结果是入射光子没有与介质发生能量交换，而仅仅改变了运动方向。 X/射线的射线的X/射射线线的的与物质的相互作用机制小结：能量改变；强度不变；射程概念。EEEE能量改变；强度改变；最大射程。四x/射线的吸收四x/射线的吸收EE能量改变；强度不变；射程概念。EEEE能量改变；强度改变；最大射程。能量不变；强度改变；无射程概念。光子通过介质时由于同物质的三种相互作用, 光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对光子的吸收。厚厚 度度 X X I0 I 所谓单色窄束射线，是指单能，并经过准直处理，只有沿入射方向才有射线射出的测量条件。1 单色窄束光

38、子通过物质时的吸收四x/射线的吸收( )dII t Ndt 一束准直射线，初始强度I0 ，在厚度t处经过dt时强度变化：phcp利用初始条件t = 0时，0(0)II解得：00( )NttI tI eI e四x/射线的吸收2、吸收系数线性吸收系数：dINIdt1cm 质量吸收系数：AmNA2cm /g0( )m mtI tI emtt2g/cm 四x/射线的吸收式中：ci第 i 种物质的百分含量； mi第 i 种物质的质量衰减系数1nmimiic线性吸收系数：dIIdX当射线穿过单位距离介质当射线穿过单位距离介质时，单个光子被损失掉的时，单个光子被损失掉的几率。几率。()phcpphcpN四x

39、/射线的吸收（4）线性吸收系数与入射射线、作用介质有关： a）射线能量高 值小 b） 原子序数高 值大能量（能量（MeV) 铅（铅（Pb) cm-1 铝（铝（Al）cm-1 0.60.6 1.61.6 0.20.2 1.01.0 0.80.8 0.180.18 2.02.0 0.50.5 0.10.1铅和铝吸收系数铅和铝吸收系数（5）对于某一确定能量，每一种介质有一确定的线性吸收系值，该值是、作用介质的吸收特性参数。5phZcZ2pZN四x/射线的吸收3、半吸收厚度和平均自由程半吸收厚度：射线在物质中强度减弱一半时的厚度，1 2002DII e1 2ln2D可以用半吸收厚度表示指数衰减规律：1

40、 21 2ln200( )2ttDDI tI eI001tttedtedt平均自由程：1 2ln2D四x/射线的吸收4、宽束条件下的吸收规律0( )( ,)tI tI B t Ee宽束条件下的衰减规律：平行窄束： 准直后的平行射线束，探测器记录直射光子。宽 束： 直射光子散射光子。 累积因子B与入射能量E和探测器的类型有关； 还与测量时的几何条件有关。5.5 中子与物质的相互作用一、中子的基本性质二、中子源三、中子与物质作用机制四、中子的慢化五、中子的扩散六、中子的衍射l中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要成分；l中子是不稳定的。一个自由中子会自发转变成一个质子一个电子一个反中

41、微子，并释放0.782MeV的能量； n p + e + l自由中子的半衰期为10.61+0.16 min。与中子和物质相互作用的过程的时间相比，这个时间是很长的，即：一般情况下，中子在衰变之前就已经被原子核俘获了；因此，通常可将其视为稳定粒子。l中子质量比氢原子略重： mn=1.0086649,u=939.5653MeV/c2 mH=1.0086649,u=938.7830MeV/c2一、中子的基本性质l中子整体电中性，但其内部具有电荷分布。如果正负电荷分布的中心稍有不重合，中子就应有电偶极矩，是否为零是非常重要的基础研究课题，正负电荷中心距离10-24cm；l中子自旋角动量数s1/2，费米

42、子，服从泡利不相容原理，遵守费米统计；l中子具有磁矩 n=1.913042 N（核磁子），磁矩结构有分布，均方根半径0.9fm,可产生极化中子束。l中子具有波粒二项性一、中子的基本性质l中子具有极强的穿透能力，于物质中原子的电子相互作用很小，基本不会使原子电离和激发而损失能量，比相同能量的带电粒子具有强得多的穿透能力；l中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。l实际应用中，有中子探测和防护两大应用问题。由于探测中子必须通过探测中子与原子核作用产生的次级带电粒子，测量效率和能量分辨率较差。一、中子的基本性质二、中子源l为满足研究和实际工程应用的要求，必须要有不同的中子源以产生所需的中子

43、。大致分三大类：加速器、反应堆和放射性中子源；l加速器和反应堆中子源性能更好，特别是加速器中子源多用性强。而放射性中子源方便携带，适合野外操作；1) 加速器中子源l用各种带电粒子加速器加速某些带电粒子，如质子、氘和等，去轰击靶核产生散裂中子。特点是在较宽的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流；l在低能加速器上用来产生（020MeV）单能中子的几种反应：核反应Q值/MeV单能中子区/MeV入射粒子能量/MeV竞争反应竞争反应阈能/MeVD(d,n) 3HeT(d,n) 4He7Li(p,n) 7BeT(p,n) 3He3.27017.59-1.644-0.7632.48.012200.120.

44、60.37.50.14.50.13.81.922.41.158.4D(d,np) DT(d,np) T7Li(p,n) 7Be*T(p,np) D4.453.712.388.43222coscos1BBnddnddndBBnmmmE m mmQEnm mEmmm发射中子的能量入射氘的能量反应能中子出射角中子质量氘质量靶核质量T(d,n)4He/D(d,n)3He反应。两者都放热，且：1) 加速器中子源l前述两种反应都会因氘核破裂产生的破裂中子而受到干扰，限制了能够产生单能中子的能区。竞争反应过程T(d,np)T/ D(d,np)D的阈能分别是3.71MeV /4.45MeV.l用数百MeV的脉

45、冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可产生具有连续能谱的强中子源，称“白光”中子源。T(d,n)D(d,n)Ed /MeV100.010.11/mb0.11101001001010.1/b1) 加速器中子源l用裂变反应堆链式反应不断产生大量中子，特点是注量率高10121015s-1cm-2、能谱复杂，是体中子源。l从活性区通过实验孔道引出堆外的的中子束注量率: 024E kTSN EC EeL1/E中子能量En/MeV11000.01相对强度Maxwell2) 反应堆中子源l用放射性核素衰变放出的射线轰击某些轻靶核发生产生(,n),(,n)反应，放出中子的中子源。l常用的(,n)反应中子源

46、，是将 210Po、226Ra、239Pu、241Am等发射体粉末均匀、紧密地与Be粉混和压紧密封在金属容器内制成。对应核反应为：9125.70BeCnMeV3)放射性中子源l几种常用(,n)放射性中子源：源T1/2中子能谱本底每个粒子产生底中子数目210 Po226Ra239Pu241Am138d1690a2.41x104a433a连续连续连续连续低高低低6.75x10-3(2.74.05)x10-25.95x10-35.95x10-3(,n)反应都是吸热的。这种光中子源产生中子的特点是可以提供20keV1MeV间某个单能中子，例如核反应：981.6652.224BeBenMeVDpnMeV

47、自发裂变中子源252Cf，T1/22.64a，中子产额2.31x1012s-1g-1， ，ET1.453+0.017MeVTEENECE e3)放射性中子源中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用，中子不带电，中子不受库仑阻碍而很容易靠近原子核或被原子核吸收；因此中子与原子核的作用分为两类： （1）中子的散射，中子与原子核发生弹性散射（快中子与轻介质的相互作用）与非弹性散射（快中子与重介质的相互作用）并产生反冲核； （2）中子的俘获吸收，中子被原子核俘获而形成复合核，再衰变而产生其它次级粒子。中子进入原子核形成“复合核”后，可能发射一个或多个光子，也可能发射一个或多个粒子而回到基态。前者

48、就称为“辐射俘获”，而后者则相应于各种中子核反应 。有几种重原子核（如235U），俘获一个中子后会分裂为两个或三个较轻的原子核，同时发出2-3个中子以及很大的能量（约200MeV），这就是裂变反应 。三、 中子与物质的相互作用n+核势弹性散射（n，n）直接作用中间过程复合核共振弹性散射（n，n）非弹性散射（n，n）产生带电粒子的核反应（n，b）辐射俘获（n，）发射多粒子核反应核裂变（n，f）弹性散射（n，n）核反应三、 中子与物质的相互作用中子的散射中子的散射中子与靶核的弹性碰撞中子与靶核的弹性碰撞三、 中子与物质的相互作用在质心坐标系中单次碰撞后能量比：散射角c可取0间的任何值多次碰撞后，平

49、均能量损失份额：弹性散射三、 中子与物质的相互作用快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：三、 中子与物质的相互作用非弹性散射非弹性散射过程：（1）直接相互作用（10-2210-21）；（2）形成复合核（10-2010-15）；（3）靶核发出动能较低的中子；（4）靶核处于激发态；（5）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变三、 中子与物质的相互作用非弹性散射的特点：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射）第

50、一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约重核的第一激发能约100千电子伏千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏轻核的第一激发能约几兆电子伏（4）伴随）伴随射线射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）HnH211011三、 中子与物质的相互作用l辐射俘获：三、 中子与物质的相互作用（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘获截面变化很大，氙：2.65106靶，镉：19910靶，氧18只有104靶。特点：E/ 1三、 中子与物质的相互作用1. 发射带电粒子的核反应10Bn中子

51、防护中常用镉、硼、锂作吸收剂HNnO1116710168氮16半衰期7.3秒，放、射线核反应三、 中子与物质的相互作用2. 裂变反应裂变反应：（n，f）反应易裂变同位素： 233U， 235U，239Pu，241PunXXnUAzAz1010235922211放出约200MeV的能量可裂变同位素： 232Th， 238U，240Pu三、 中子与物质的相互作用中子不带电，不能直接引起物质原子的电离或激发。但由于不受原子核库仑场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内部，同原子核作用发生弹性散射、非弹性散射或引起其它核反应。这些过程的发生导致中子在物质中被慢化和被吸收，并产生一些次级粒子，例如

52、，反冲质子、射线、粒子以及其它带电粒子等。这些粒子都具有一定的能量。它们继续同物质发生各自相应的作用，最终使物质原子发生电离和激发。因此，中子也是一种电离辐射。 中子能量大于810MeV时，复合核发射多个粒子（n，2n）、（n，np）3. 多粒子发射三、 中子与物质的相互作用中子按能量分类： 慢中子：能量：01keV，主要与核发生弹性散射（n，n）和中子辐射俘获（n，）反应；包括热中子、超热中子和共振中子。 热中子：与吸收物质处于热平衡状态的中子，其速度接近麦克斯韦分布。处于热平衡状态的中子能量为kT（k为常数，T为绝对温度），室温下（t=20oC）,热中子能量为： 2319(27320) 1

53、.30.0258 101.6310kTeV对应的中子速度为2200m/s； 冷中子：比热种子能量更低的中子；三、 中子与物质的相互作用 超热中子：中子未和吸收物质达成热平衡时，能量比热中子略高一些，这种能量略高于热中子的中子称为超热中子（En0.5eV）； 共振中子：能量在1eV1keV的中子；共振中子与核作用时能够发生强烈的共振吸收，吸收截面很大。中能中子：能量在1keV0.5MeV的中子；中能中子与原子核作用的主要形式是弹性散射。快 中 子：能量在0.5MeV10MeV的中子；快中子与原子核的主要作用形式是弹性散射、非弹性散射和核反应（如(n,p)、(n,)等反应）；特快中子：能量在10M

54、eV50MeV的中子；特快种子除发生弹性散射、非弹性散射和发射一个粒子的核反应之外，还可以发生发射两个或两个以上粒子的核反应，如(n,2p)、(n,pn)三、 中子与物质的相互作用 微观截面：中子与原子核的作用，根据中子的能量，可以产生弹性散射、非弹性散射、辐射俘获和裂变等，用s、s、f表示其截面；总截面： t ss f吸收截面：a f 三、 中子与物质的相互作用l当中子能量不高时，在一些轻核上弹性散射起主要作用，且在低能部分近似常量，如12C（高温气冷堆和其它石墨堆的主要慢化剂）的s、t与能量的关系：st/b1.0101.01000.01En/MeV三、 中子与物质的相互作用宏观截面：在中子

55、物理中，常称微观截面，如s、t 称微观散射和微观总截面，而微观截面与核子密度N的积称宏观截面，如s、a、t分别为宏观散射、吸收和总截面，有： lNl(cm-1)对单一核素：对均匀混和物：对多原子分子，每个分子中第i种原子数为li,有：123.AjjjiiAAiiiiiiNNANlNNANNlA 三、 中子与物质的相互作用3)平均自由程 设强度为I0的中子束，射入厚度为D的靶，在靶深度为x处，中子束强度变为I，总微观截面t 靶核子密度N，根据中子平衡方程：经x不碰撞，在x-x+dx发生碰撞的概率P(x)dx可由下式导出：平均自由程： 0011111;ttttxxtttsassaadI xdI x

56、NI x dxdxI xI xI eP x dxedxxP x dxNN 三、 中子与物质的相互作用l一般核反应产生的中子的能量都在MeV量级，称快中子。但在有些实际应用，如热堆、同位素生产等，常要求能量为eV量级的中子，称慢中子；l中子的慢化（或中子的减速）：将能量高的快中子变成能量低的慢中子过程；l对中子进行有效慢化，常选用散射截面大而且吸收截面小的轻元素作慢化剂，如氢、氘和石墨等。氢、氘没有激发态，中子与其作用损失能量的主要机制是弹性散射。12C的最低激发态为4.44MeV，当中子的能量低于反应阈能Eth4.8MeV时，在石墨上也只发生弹性散射。四、中子的慢化四、中子的慢化1) 中子和核

57、在弹性散射中能量的变化 假设：在实验系中，原子核质量为m，处于静止，中子速度为v1，发生弹性散射后，中子在散射角方向以速度为v飞出。散射前后的动能分别为: 容易证明：在质心系中，弹性散射前后，中子和靶核的速度数值不发生变化，而只是改变速度方向。所以，弹性散射前后，中子在质心系的速度等于22112211;22nnEm vEm v11cnmvvvvmm 四、中子的慢化四、中子的慢化l 根据的平行四边形法则，可得在实验系中，当弹性散射后中子速度的平方： l 因此，弹性散射后与散射前中子动能之比为： 222222122cos2cosccnncnvvvvv vmmm mmm 22221222112cos

58、1111cos21nncnncnEmmm mEmmmmEAEmmA四、中子的慢化四、中子的慢化l其中A是靶核质量数，参量表征靶核使中子慢化的能力。c0，E2=E1; c180o,E2,min=E1，一般： E1 E2 a ，即 s a时，热中子并不马上消失，还会在介质中不断地运动，并和介质的原子核不断的碰撞。这时中子和介质的能量交换达到热平衡，其效果是中子从密度大的地方不断向密度小的地方迁移，此过程称为中子的扩散。 有关中子在介质中的扩散行为在反应堆设计中是很重要的，同时在其它应用问题上也是需要经常考虑的，有关中子扩散理论主要内容可参考中子物理和反应堆的相关专著。1）中子的波长：中子和其它微观

59、粒子一样，具有波粒二象性。从量子力学知，一定动量的粒子，它相应的德布罗意波长为 92.86 1020.0286nnhhcmm vm EEnmE六、中子的衍射六、中子的衍射由此可见，在一般情况下，中子的波长是比较短的。 根据波与物质相互作用的特点，只有当中子的波长和物质结构的线度差不多时，其波性才比较明显。要使中子在原子或晶体上产生衍射，只有能量较低的中子才有可能。2）热中子衍射原理：布喇格公式 在反射中子束中，对应n=1，称为一级衍射，其它称为次级衍射。通常一级衍射最强，强度随n的增加而迅速下降。2 sin1,2,.dnn波长 衍射级次d六、中子的衍射六、中子的衍射 1、中子在核能释放过程中起

60、着关键的作用； 2、中子技术在应用领域有很大发展； 3、中子不带电，与原子核发生相互作用不受库仑位垒的阻挡。 中子与物质的相互作用是与原子核的相互作用。中子探测的基本方法： 核反应、核反冲、核裂变、活化。中子探测的特殊地位：七、 中子探测 利用中子产生的发射带电粒子核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可以探测中子。 主要探测器中子的强度，也可探测快中子的能谱。能利用的发射带电粒子核反应需要反应截面较大。1、7107*2.792MeV(6.1%)2.31MeV(93.9%)LinBLi7*70.478MeVLiLi 天然硼中10B的含量为19.8%，易浓缩，应用最广。0(38379)b（1）核反