射线与物质的相互作用全解实用教案

1、射线射线(shxin)与物质的相互作用与物质的相互作用 具有一定动能的射线会与物质(wzh)发生相互作用，叫做致电离辐射。 第一节概述 第二节重带电粒子与物质(wzh)的相互作用 第三节快电子与物质(wzh)的相互作用 第四节射线与物质(wzh)的相互作用 第五节中子与物质(wzh)的相互作用第1页/共71页第一页，共71页。第一节概述第一节概述(i sh) 一致电离辐射的种类 二弹性碰撞(pn zhun)和非弹性碰撞(pn zhun) 三带电粒子在物质中的慢化第2页/共71页第二页，共71页。一、致电离辐射的种类一、致电离辐射的种类(zhngli) 带电粒子辐射 非带电粒子辐射 快电子：，；

2、 电磁辐射：、射线； 重带电粒子 中子 n； 致电离辐射：能量(nngling)大于10eV量级的射线。我们以后提到的“辐射”或“射线”，均指“致电离辐射”。TdP, e 第3页/共71页第三页，共71页。二弹性二弹性(tnxng)碰撞和非弹性碰撞和非弹性(tnxng)碰撞碰撞 相互作用过程中，满足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 当E = 0时，弹性(tnxng)碰撞； 当E 0时，非弹性(tnxng)碰撞； E 0时，为第一类非弹性碰撞，如入射粒子(lz)与处于基态的核碰撞，且使核激发； E 0时，为第二类非弹性碰撞，如入射粒子(lz)与处于激发态的核碰撞。 带电粒

3、子通过库仑力与物质发生相互作用。第4页/共71页第四页，共71页。三带电粒子在物质三带电粒子在物质(wzh)中的慢化中的慢化载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可以分为四种过程，其中前两个过程是主要的： (1)电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。 入射带电粒子与核外电子的库仑作用，使电子获得能量引起(ynq)： 电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子，主要发生在最外层电子。电子。 激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。第5页/共71页第五页，共71页。三带电粒子在物质三带电粒子在物质(wz

4、h)中的慢化中的慢化(2) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性(tnxng)碰撞过程。 入射带电粒子速度和方向发生变化，同时(tngsh)发射韧致辐射。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。 叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。第6页/共71页第六页，共71页。三带电粒子在物质三带电粒子在物质(wzh)中的慢化中的慢化(4) 带电粒子与靶原子中核外电子(h wi din z)弹性碰撞 与电子的库仑(kln)作用，使入射粒子方向偏转； 入射粒子损失一部分动能

5、，但能量转移很小，电子能量状态不发生改变。 100eV以下的粒子才需考虑。第7页/共71页第七页，共71页。第8页/共71页第八页，共71页。第二节重带电粒子与物质第二节重带电粒子与物质(wzh)中的相互作用中的相互作用一电离损失率二重带电粒子的射程特点：重带电粒子均为带正电荷离子；主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；其运动径迹(jn j)近似为直线。 与核外电子的非弹性(tnxng)碰撞； 与原子核的非弹性(tnxng)碰撞。第9页/共71页第九页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率能量损失率： 入射带电粒子在物质中经过单位路程(lchng)损失的能量。ra

6、dionradiondxdEdxdESSdxdES 有：电离(dinl)损失率，辐射损失率。对于重带电粒子，也叫线性阻止本领。ioniondxdESS第10页/共71页第十页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率假设：（1）物质原子(yunz)的电子可以看成是自由的(入射粒子的动能大于大于电子的结合能)。 （2）物质原子(yunz)的电子可看成是“静止”的。 （3）由于碰撞中入射粒子传给电子的能量比自身能量小得多，可认为在碰撞后入射带电粒子仍按原方向运动。 根据量子理论，并考虑了相对论修正。推导出来的重带电粒子电离能量损失率的精确表达式称为Bathe-Block公式： 第11页/

7、共71页第十一页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率Bathe-Block公式(gngsh)： NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)1ln(2ln式中：z 为入射带电粒子电荷数； Z 为靶物质原子的原子序数； N 为靶物质单位体积中的原子数； v 为入射带电粒子速度(sd)； I 为靶物质平均等效电离电位； m0 为电子静止质量； =v/c 为重粒子速度(sd)与真空中光速之比。第12页/共71页第十二页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率Bathe公式(gngsh)的几点讨论：例如(lr)，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S

8、相同。1、S与入射粒子质量无关，只与电荷z及速度v有关。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比，)()(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p与，S=4Sp 。第13页/共71页第十三页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率3、S与靶物质的电子密度NZ成正比，NZS Z吸收(xshu)材料原子序数高、材料密度大的材料其阻止本领大。 4、S与v2的关系(gun x) v2较小，S 1/v2 ； v2较大，相对论效应，对数项增大，S上升 ； v2很小，电荷交换效应，俘获； v2极小，核阻止作用。第14页/共71页第十四

9、页，共71页。一、电离一、电离(dinl)损失率损失率图中，b部分(b fen)代表非相对论状况，c部分(b fen)代表相对论状况。a部分(b fen)是入射粒子能量很低时的情况。第15页/共71页第十五页，共71页。第16页/共71页第十六页，共71页。第三节快电子第三节快电子(dinz)与物质的相互作用与物质的相互作用 特点(tdin)： 1、运动(yndng)速度大； 2、电离损失，辐射损失； 3、碰撞中能量转移大，方向改变大(散射严重)。 快速电子：e ， 。 一能量损失率 二吸收与射程 三正电子与物质的相互作用第17页/共71页第十七页，共71页。一、快电子一、快电子(dinz)的

10、能量损失率的能量损失率 对于快速电子，考虑(kol)相对论效应时的电离损失率：BvmNZedxdEion20422222201122ln)1 (2lnIEvmB22211811快速电子(dinz)在物质中穿透本领比重带电粒子大得多。第18页/共71页第十八页，共71页。一、快电子一、快电子(dinz)的能量损失率的能量损失率 快速电子损失(snsh)能量的方式：电离损失(snsh)，辐射损失(snsh)。在单位路程上通过辐射损失的能量(nngling)叫做辐射损失率：312ln137) 1(4204204cmEEcmeZNZdxdErad 辐射损失的方式是发出韧致辐射。带电粒子穿过物质时受到物

11、质原子核的库仑作用，速度大小和运动方向都发生变化，这时伴随发射电磁波。称之为轫致辐射。 第19页/共71页第十九页，共71页。一、快电子一、快电子(dinz)的能量损失率的能量损失率 结论(jiln)：1、辐射损失率与入射粒子质量m的平方成反比。 所以，重带电粒子的辐射损失可以忽略不计；仅对电子才重点(zhngdin)考虑。 2、辐射损失率与靶物质NZ2成正比。当电子能量高以及吸收材料原子序数大时，辐射损失更显著。为吸收、屏蔽射线时不宜选用重材料。但为获得强的射线，则用重材料如钨作为靶材料。 3、辐射损失率与入射粒子能量E成正比。第20页/共71页第二十页，共71页。一、快电子一、快电子(di

12、nz)的能量损失率的能量损失率 快速电子总的能量(nngling)损失：radiondxdEdxdEdxdE 入射电子能量高，辐射损失起主要作用(zuyng)； 入射电子能量低，电离损失起主要作用(zuyng)。700)()(ZEdxdEdxdEionrad例如：靶物质Pb，Z=82，当Ee9MeV，两者相当。第21页/共71页第二十一页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 快速(kui s)电子在物质中有散射现象。 大于90的散射叫做反散射。吸收： 电子束通过(tnggu)一定厚度的物质时，强度减弱的现象。特点： 电子的路程远大于射程； 电子的射程有较大歧离。第22页/共71

13、页第二十二页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 1、单能电子束的吸收(xshu)最大吸收(xshu)厚度R0第23页/共71页第二十三页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 2、 射线(shxin)的吸收teII0REmax由于放射性同位素源发射的粒子的能量是从零到最大能量连续分布的。其吸收衰减(shui jin)曲线恰好具有近似指数的形式，在半对数坐标中近似为直线。第24页/共71页第二十四页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 第25页/共71页第二十五页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 3、射线(shxin)在铝中的射

14、程典型物质中射线(shxin)的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 对比：4MeV 在空气中的射程约为2.5cm。38. 1max407. 0ER 当 0.15MeVEmax0.8MeV 时，MeV),g/cm(2133. 0542. 0maxER当0.8MeVEmax3MeV 时，MeV),g/cm(2第26页/共71页第二十六页，共71页。二、吸收二、吸收(xshu)与射程与射程 4、反散射(snsh) 入射电子在物质中发生大角度偏转，又从入射表面发射(fsh)出来。定义： 反散

15、射系数，0II E小，大； Z大，大。第27页/共71页第二十七页，共71页。三、正电子与物质三、正电子与物质(wzh)的相互作用的相互作用 对电子与物质相互作用的全部规律都适用(shyng)于正电子与物质相互作用过程。正电子在吸收体中的径迹类似于负电子的，其能量损失率及射程也与初始能量相同的负电子相同。 正电子在物质中也会发生电离(dinl)损失、辐射损失。 处于热能的正电子会与吸收物质中的电子发生正电子湮没。20212cmhhchch21keV5112021cmhh第28页/共71页第二十八页，共71页。第29页/共71页第二十九页，共71页。第四节第四节射线射线(shxin)与物质的相互

16、作用与物质的相互作用 光子(gungz)不带电； 光子与电子或原子核存在电磁(dinc)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 射线的吸收第30页/共71页第三十页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)光电效应(un din xio yng)特征：ieBhE1、光电子动能等于光子能量与结合能之差：通常，hBi所以，hEe 光子(gungz)与一个原子作用，把能量全部交给原子，使一个束缚电子从原子中发射出来，光子(gungz)消失。入射光子与内层电子发生光电效应的几率较

17、大。第31页/共71页第三十一页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)2、光电效应伴随(bn su)有特征x射线和Auger电子。 从内壳层打出电子，原子处于激发态。原子退激过程： 发出(fch)特征x射线， 发出(fch)Auger电子。3、光电截面ph的主要特征光子与物质原子发生相互作用时发生光电效应的概率用“光电效应截面”来表示，简称“光电截面”。第32页/共71页第三十二页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)527527204132ZhZhcmthKph当当hvm0c2hvm0c2，即相对论情况，即相对论情况(qngkung

18、)(qngkung)其中， =1/137,称为Thomson截面。220238cmeth5ZKph127)()(hhKph第33页/共71页第三十三页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)总光电截面(jimin)ph ：MphLphKphph光电效应主要发生在K壳层上：phKph54吸收(xshu)边(限)第34页/共71页第三十四页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)结论(jiln)：（1）phZ5。对于选择探测器的探测介质时采用高原子序数材料，一提高探测效率。对防护、屏蔽射线时同样采用高Z材料。（2）光电效应截面随入射光子能量增

19、加而减小。第35页/共71页第三十五页，共71页。一、光电效应一、光电效应(un din xio yng)4、光电子的角分布 入射能量(nngling)增加，最大截面向小角度方向移动。 在 =0和 =180方向上没有(mi yu)观察到光电子。第36页/共71页第三十六页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh) 散射光子，散射角 ； 反冲电子(dinz)，反冲角 。与原子(yunz)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。

20、第37页/共71页第三十七页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)1、能量与角度(jiod)关系未知数：h，Ee ， ， 。根据能量守恒：220201cmhcmhcos1cos20cmchch根据动量守恒：sin1sin20cmch第38页/共71页第三十八页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)联解得到(d do)康普顿移动：)cos1 (202cmhhh解得：)cos1 (120cmhhh)cos1 (120hcmhhhEe2120tgcmhctg第39页/共71页第三十九页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)2、结论(jiln)(1) 散射光子

21、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(j zhn)特殊情况： =0，h=h ； =，h= (h)min ； 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。第40页/共71页第四十页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)(3) 散射角与反冲角存在(cnzi)一一对应的关系。(4) 当h m0c2时，Ee h 。第41页/共71页第四十一页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)康普顿散射(snsh)总截面：dddecce,dddecce,整个原子的康普顿散射总截面：cecZ当h m0c2时，212ln202020cmhhcm

22、rZc第43页/共71页第四十三页，共71页。二、康普顿散射二、康普顿散射(snsh)反冲电子(dinz)能量分布：eeeedEddddEd与入射光子能量(nngling)h相差200keV。康普顿边缘：hcmhEe2120eedEddd康普顿坪连续分布。第44页/共71页第四十四页，共71页。三、电子对效应三、电子对效应(xioyng)电子对效应(xioyng)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(nngling)关系 从能量守恒：202cmEEhee202cmh电子对效应发生的条件：)2(0,20cmhEEee电子动能范围：第45页/共71页第

23、四十五页，共71页。三、电子对效应三、电子对效应(xioyng)2、电子对效应必须在有原子核参加(cnji)时才能发生。 在电子的库仑场中也可以发生电子对效应：204cmh3、电子对效应之后(zhhu)伴随正电子湮没。 原子核带走多余的动量，又不带走过多的动能。20212cmhhchch21keV5112021cmhh第46页/共71页第四十六页，共71页。三、电子对效应三、电子对效应(xioyng) 如果吸收物质足够(zgu)大，吸收的总能量为：202cmEEEee正负电子来自(li z)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，2020cmhcmEEEee 如果两个湮

24、没光子都从吸收物质逃逸，202cmhEEEee 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第47页/共71页第四十七页，共71页。三、电子对效应三、电子对效应(xioyng)4、截面(jimin) 当入射光子能量不同时，各种( zhn)作用截面不同；)ln()(22hZhZp202cmh202cmh 当 h m0c2 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：pcph第48页/共71页第四十八页，共71页。小结小结(xioji)：（1 1）作用截面与吸收物质原子序数）作用截面与吸收物质原子序数(yunz xsh)(yunz xsh)的关系的关系5Zp

25、h Zc 2Zp 总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面(jimin)(jimin)越越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。最小。光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射电子对效应电子对效应第49页/共71页第四十九页，共71页。小结小结(xioji)：（2）三种相互作用截面与）三种相互作用截面与 能量能量(nngling)的关系的关系2/ 7)/ 1 (hvph 光电效应截面光电效应截面随随入射光子能量增入射光子能量增加而减小，开始加而减小，开始时变化剧烈，

26、后时变化剧烈，后基本成反比。基本成反比。)(Khv )/ 1 ( hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505 (2020cmhvcm 电子对效应截面电子对效应截面随入射光子能量随入射光子能量增加而增加，只增加而增加，只有光子能量大于有光子能量大于1.022MeV1.022MeV才能发才能发生。生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普顿散射截面康普顿散射截面开始基本为常数，开始基本为常数，随入射光子能量随入射光子能量增加而减小，减增加而减小，减小比光电效应缓小比光电效应缓慢。慢。)(20cmhv 第50页/共71页第五十页，共71页。小

27、结小结(xioji)：（2）三种）三种(sn zhn)相互作用与相互作用与 能量的关系能量的关系第51页/共71页第五十一页，共71页。小结小结(xioji)：hBhEie)cos1 (120hcmhEe(3)次电子(dinz)能量光电效应： 康普顿散射(snsh)效应： 电子对效应： 202cmhEEEee第52页/共71页第五十二页，共71页。小结小结(xioji)：（4）三种）三种(sn zhn)相互作用的生成物相互作用的生成物光电效应(un din xio yng)：光电子；特征X射线，俄歇电子。康普顿效应：散射光子，反冲电子。电子对效应：正、负电子，湮没光子。（5）三种相互作用的相对

28、重要性）三种相互作用的相对重要性 低能、高Z，光电效应占优势； 高能、高Z，电子对效应占优势； 中能、低Z，康普顿散射占优势。第53页/共71页第五十三页，共71页。小结小结(xioji)：第54页/共71页第五十四页，共71页。第55页/共71页第五十五页，共71页。第五节中子第五节中子(zhngz)与物质的相互作用与物质的相互作用中子的分类(fn li)： 慢 中 子：E1keV，其中：热中子E0.0253eV； 中能中子：E1100keV； 快 中 子：E0.120MeV；慢中子(En100keV)与核发生相互作用： 转移给核的动能较大，反应截面很小，测反冲核。中子主要通过核反应或弹性散

29、射产生重带电粒子。第56页/共71页第五十六页，共71页。中子中子(zhngz)与物质的相互作用与物质的相互作用 1、中子在核能(hnng)释放过程中起着关键的作用； 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(zhngz)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：第57页/共71页第五十七页，共71页。一、核反应法一、核反应法 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(xinxing)就可以探测中子。主要探测中子的强度，也可探测快中子的能谱。 能利用的

30、发射带电粒子核反应需要反应截面较大。1、MeV(93.9%)31. 2MeV(6.1%)792. 2*7710LiLiBnMeV478. 07*7LiLi 天然(tinrn)硼中10B的含量为19.8%，易浓缩，应用最广。b)93837(0第58页/共71页第五十八页，共71页。一、核反应法一、核反应法 反应能最大，有利于区分中子(zhngz)与信号。 天然锂中6Li的含量为7.5%，高浓缩锂价格昂贵。2、MeV786. 436HLinb)4940(0 反应截面最大； 反应能最小，不利于区分中子和信号； 天然(tinrn)氦中3He的含量很低，只有1.4104 %。 3、MeV764. 033

31、pHHenb)75333(0第59页/共71页第五十九页，共71页。一、核反应法一、核反应法4、MeV627. 01414pCNnb9 . 10 反应能和反应截面都小， 用作对含氢正比(zhngb)计数器进行能量刻度。 Elog21log三种截面与能量的关系： vE11得到截面的1/v定律： 第60页/共71页第六十页，共71页。二、核反冲法二、核反冲法在弹性散射中： 中子的能量和方向发生改变； 原子核获得一定的动能，不改变内部状态(zhungti)，叫做反冲核。 反冲核是运动的带电粒子。 通过记录带电粒子来探测(tnc)中子，叫做核反冲法。 核反冲法主要用于快中子探测(tnc)。EEnN单位

32、时间单位面积内的反冲核数目：dNsMME上式：中子通量密度，散射截面，靶原子(yunz)密度，靶厚度。第61页/共71页第六十一页，共71页。二、核反冲法二、核反冲法当中子能量E30MeV时，22cos)(4nnMmMMmEE 常选用石蜡、聚乙烯、水等材料作为中子(zhngz)慢化剂； 选用轻核作为中子(zhngz)探测器和靶材料，如塑料闪烁体、有机液体闪烁体等。2cosEEp反冲质子法： 由动量守恒关系，在一次反冲中，反冲角度范围：900第62页/共71页第六十二页，共71页。二、核反冲法二、核反冲法当 = 0时，EEp反冲核的选择：1、轻核反冲动能大；2、弹性散射截面(jimin)大；3、

33、截面(jimin)与中子能量的变化关系平滑；4、反冲核的角分布函数简单。当 = 10时，EEp97. 0第63页/共71页第六十三页，共71页。二、核反冲法二、核反冲法 当 = 0时， Ep=E ； 当 = 90时，Ep=0 。EEPp1)( 单能中子入射时的反冲质子能谱分布： 实际测量(cling)中从反冲质子能谱推得中子能谱。dEdnpdEdpEpEEpEP(Ep)1/E0 Ep 处的反冲质子(zhz)能谱值是Ep Emax的中子产生的反冲质子(zhz)能谱的叠加。EpEmax第64页/共71页第六十四页，共71页。三、核裂变法三、核裂变法 中子(zhngz)与重核作用，诱发核裂变； 裂变碎片是重带电粒子