射线与物质相互作用

1、关于射线与物质相互作用第1页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三辐射防护是做什么的？ 辐射防护是：原子能科学技术的一个重要分支，它是研究人类免受或少受电离危害的一门综合性的边缘学科。它涉及到原子核物理、放射化学、辐射剂量学、核电子学、放射医学、放射生物学及放射生态学等学科。第2页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三。 8、放射源警示标志国家标准规定，所有放射性工作场所及放射源的包装容器上都必须有警示标志。 放射源第3页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三放射源第4页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三放射源

2、第5页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第6页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三辐射损伤世界最大锡产地云南个旧:3000锡矿工死于肺癌 第7页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三认识电离辐射的符号与放射源警示符号要尽量避开贴有这些标志的物体！第8页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三辐射防护基本任务：保护环境、保障从事放射性工作的人员和一般居民的健康与安全、保护他们的后代、促进原子能事业的发展。第9页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三考核方式平时20%（课堂表现、出勤率+作业）期

3、中10%+期末70%（考试）第10页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三教学内容第1章 电离辐射与物质的相互作用第2章 辐射防护中常用的辐射量和单位第3章 电离辐射对人体的危害及辐射防护标准 第4章 外照射剂量的计算 第5章 射线和X射线的防护 第6章 带电粒子防护 第7章 中子的防护 第8章 内照射剂量的计算及其防护 第9章 核辐射探测器及测量方法 第11页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三参考书电离辐射防护与安全基础 杨朝文 主编 教材辐射防护导论 方杰 主编辐射防护基础 李星洪 主编 网络教学平台下载 第12页，共102页，2022年，5月2

4、0日，22点40分，星期三第1章 射线与物质的相互作用1.1 粒子与物质相互作用1.2 射线与物质相互作用1.3 和X射线与物质相互作用1.4 中子与物质相互作用1.5 射线与物质相互作用特点小结第13页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.1 粒子与物质相互作用 1.1.1 粒子的性质 高速运动的氦核，带两个正电荷，质量数为4，约为电子质量的7300倍。能进行衰变的天然放射性核素绝大部分原子序数大于82，如原子序数小于82是极个别，且半衰期相当长，如：T1/2=1.71011aT1/2=21015aT1/2=6.11011a第14页，共102页，2022年，5月20日

5、，22点40分，星期三1.1.2 粒子与物质相互作用一、作用方式重带电粒子可与核外电子发生弹性碰撞，仅在其能量低于100eV时有意义，所以一般只考虑带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。 重带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的结果可使原子发生电离或激发。 第15页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三二、电离和激发自由电子正离子 + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子 + e-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+

6、 -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -库仑作用第16页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三库仑力作用：自由电子、 离子自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。原电离入射粒子直接作用引起的电离次级电离由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离电子。电离（ionization）第17页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发。原子退激激发

7、态的原子不稳定，处在高能态的电子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的能量 。原子发光现象 激发(excitation)第18页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三电离和激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的主要能量损失。-电离能量损失 -电子阻止核阻止三、电子阻止第19页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 阻止本领公式（Bethe-Bloch公式）式中：z：重带电粒子的电荷数； e：一个电子的电量，等于1.60210-19C; Z：物质原子的原子序数； N：物质在单位体积中包含的原子数目； c：光速； V：重带电粒子的速度； me：电子

8、的静止质量 I ：物质原子中电子的平均等效电离电位。 -+=-22222e2421ln2ln4ccZCImNZmezdxdEeionuuuup脚标“ion”表示是由入射粒子使原子电离或激发所引起的能量损失。第20页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三(1) 与重带电粒子电荷数的平方成正比。如果粒子和质子的速度相等，物质对粒子的阻止本领是对质子阻止本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力也就愈弱。 (2) 与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子的质

9、量的确切数值就对阻止本领没有影响了。 阻止本领表达式重要结论1：第21页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三(3) 与重带电粒子的速度有关。当速度较小时，可以近似地认为电离能量损失率与速度的平方成反比，对数项的数值影响不大；当速度比较高时，项变化很小，对数项的影响较大。当两种粒子的速度相等时，即具有相同的E/m和相等的电荷，则两种粒子在同一靶物质中的阻止本领就相同。例如质子、氘核和氚核，它们的质量不同，如果它们的速度一样，则它们在同一物质中的阻止本领就一样。(4) 与物质的电子密度NZ成正比。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对重带电粒子的阻止本领也越大。

10、 阻止本领表达式重要结论2：第22页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三阻止本领表达式重要结论3：（5）在中能区，阻止本领与入射粒子的能量成反比电子的阻止截面：第23页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三四、比电离-电离密度（ionization density ) 带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数，单位为离子对/厘米。比电离应包括原电离和次电离产生的离子对。 第24页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三五、射程带电粒子的吸收射程：带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符

11、号R表示。如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程”多少，就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。第25页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三带电粒子的射程和路程 射程和路径的区别第26页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第27页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三粒子射程公式 对于能量为3-7MeV的粒子在标准状态下空气中的平均射程可用下面的经验公式表示：E 是粒子的能量，单位是MeV.R0 是粒子在标准状态下的空气中的平均射程，单位是cm.第28页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三相同能量的同一种带电粒

12、子在不同物质中的射程有经验公式：式中a和b、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密度与相对原子量。 重带电粒子在物质中的射程其它适用公式第29页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三在其它物质中的射程R可用在空气中的射程R0进行换算，其公式如下：式中，A和分别表示吸收物质原子的质量数和密度（单位为g/cm3），R的单位为cm。 在其它物质中的射程：第30页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三问题一：已知5MeV的粒子在空气中的平均射程是3.5cm，求其在铝和铅中的平均射程？第31页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三粒子能/MeV空气

13、R/cm生物组织/铝/42.5311653.5432364.6563075.9723887.4914898.9110581010.613069粒子在几种物质中的平均射程第32页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.2 射线与物质相互作用第33页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.2.1 射线的产生和特点第34页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三快速电子或射线（正电子和电子）与物质发生三种相互作用：非弹性散射、弹性散射和轫致辐射。由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒

14、子有很大差异。快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量损失率接近电离损失率。第35页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三阻止本领公式低能时：高能时：第36页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三快速运动电子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用，速度大小和运动方向都发生变化，一部分能量以电磁波的形式辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。辐射能量损失（bremsstrahlung )第37页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三

15、电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征: x 射线能量连续 0 EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV产生机制原子核轫致辐射第38页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三辐射能量损失率公式：m: 入射粒子的质量E：入射粒子的能量z：入射粒子的电荷数Z：靶物质的原子序数N：单位体积内靶物质的原子序数第39页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三辐射能量损失率表达式重要结论：（1）辐射能量损失率与z2成正比，与m2成反比。由于电子的质量小，在能量相同的情况下，电子的辐射能量损失要比粒子、质子

16、和重带电粒子大得多。（2）辐射能量损失率与Z2和N成正比。表明粒子打在重元素中，容易发生轫致辐射。（3）辐射能量损失率与入射粒子能量E成正比。第40页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第41页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三20MeV的电子穿过 时，辐射损失和电离损失之比是多少? 问题二第42页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三粒子的多次散射弹性散射概念（简称散射）电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但

17、电子的运行方向变化很大，电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大。 第43页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三多次散射和反散射电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“多次散射”。电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过多次散射，最终散射角可以大于900，甚至可能是折返去，这种大于900的散射称为反散射。 第44页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三在放射源的活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都利用原子序数Z低的物质，这是因为Z低，原子核的库仑场作用小一些。在进行源活度的绝对测量时，必须对

18、放射线的反散射衬托物的反射因素造成计数的增长予以修正，利用射线的反散射计数变化与散射体厚度的关系，可以做成反散射厚度计来测量各种金属薄层及胶片、塑料布等材料的厚度，这是射线反散射技术的一项专门应用。 粒子多次散射和反散射的应用第45页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第46页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三非弹性散射非弹性碰撞当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系动能不守恒，入射电子将自己的一部分能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发。电子电子碰撞：实质上是静电相互作用。第47页，共102页，2022年，5月20日，2

19、2点40分，星期三1.2.3 吸收和射程 吸收无论是单能电子束，还是能量连续分布的射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。 半吸收厚度：第48页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.2.3吸收和射程为何不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况 在物质中的路径和射程第49页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.2.3吸收和射程射线的射程一束单能粒子具有平均射程，这个射程与粒子能量有关，对于射线来说，因为粒子的能量是从零到E最大连续分布，所以各个粒子的射程差别很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它

20、们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，所以不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况。 第50页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 射线与射线电离效应比较 射线 射线径迹 粗 直 细 弯 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多 电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度 实验结果1.2.3吸收和射程第51页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三射线的最大射程第52页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三

21、射线能量/MeV空气(cm)生物组织(cm)铝(cm)0.110.10.0160.0050.231.10.0490.01550.356.70.0890.0280.485.70.1870.0590.5119.00.1870.0591.03060.480.153.011001.740.555.019002.980.94几种物质中粒子的射程第53页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 当e+ 粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子（e -）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev 的 光子而自身消失的过程成为湮没辐射

22、或光化辐射。1.2.4 正电子与物质的相互作用湮没辐射（annihilation radiation )第54页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %） 湮没辐射第55页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.3 射线与物质的相互作用第56页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三X和 射线的区别是什么？第57页，共102页，2022年，5月20日，

23、22点40分，星期三射线对物质的电离作用:两步过程三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离射线第 1 步初级作用第 2 步次级作用第58页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第59页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 光子与物质原子相撞时，把全部能量交给原子的一个轨道电子，光子本身消失，电子获得能量后成为高能电子而摆脱原子核的束缚成为自由电子，使物质电离，此过程称为光电效应。光子能量越低，物质原子序数越大，发生光电效应的几率也越高。 1.3.1光电效应 （photoelectric effect)第

24、60页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三自由电子作用机制：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。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线原子受激原子光电效应 第61页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三光电子的能量 Bi是壳层电子的结合能，不仅与原子序数Z有关，也与电子所在壳层有关。光子的能量必须大于壳层电子的结合能才能发生光电效应。第62页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三光电效应的截面 光电效应的截面 称为光电截面，它

25、表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的概率。光电效应截面的大小与光子能量和吸收物质的原子序数有关，而与物质所处的化学和物理状态无关。光电效应发生在束缚最紧的内层电子上，K壳层发生光电效应的概率最大。第63页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第64页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 当光子与核外电子发生非弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明显。1.3.2 康普顿吴友训效应（Compto

26、n-Wu effect) 第65页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三康普顿效应散射光子与反冲电子第66页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三入射光子能量（MeV）0.50.6621.01.52.03.04.0反散射光子能量（MeV）0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.24不同入射光子能量对应的反散射光子的能量第67页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三康普顿散射截面当光子能量很低时当光子能量很高时第68页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三当入射光子能量大于1.022MeV时，

27、光子在原子核的库仑电场作用下，射线消失，转换成一对正负电子（二者又可结合转化为光子） ， 此过程称为电子对生成。电子对效应通常发生在能量较大的光子。 1.3.3 电子对生成（pair production)第69页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。 M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什么？能量转化成质量M = E /C2电子对生成第70页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期

28、三1.电子对的能量第71页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三2.电子对效应截面h稍大于2m0c2时，h远大于2m0c2时，第72页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三三种效应与原子序数和光子能量的关系1.3.4 射线的吸收第73页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1. 射线吸收规律第74页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三第75页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三宽束：第76页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三射线穿过物质时，强度按指数规律衰减，沿入射方

29、向透过的光子的能量不变。射线比带电粒子的穿透本领大得多，因此屏蔽和防护射线比带电粒子要困难。不同能量的射线，在入射到物质中时，三种相互作用对总吸收的贡献是不一样的。2. 射线吸收的特点第77页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三瑞利散射当光子能量很低时，它进入物质后与原子壳层电子发生弹性碰撞，受到电子的散射，瑞利散射的几率用R 表示：R常量Z，N物质原子序数与原子密度E 入射 光子的能量第78页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.4 中子与物质的相互作用第79页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.4.1 中子的特性自由中

30、子不稳定，能自发地衰变为质子，同时发射电子和反中微子中子波长与它的动能及动量的关系：慢中子：小于1KeV 中能中子：1100KeV 快中子：0.1100MeV 热中子：0.0253eV 冷中子：小于0.005eV 第80页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.4.2 中子的来源放射性同位素中子源（，n）中子源：光（，n ）中子源自发裂变（f，n）中子源反应堆中子源加速器中子源第81页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1.4.3 中子与物质相互作用散射和吸收散射：弹性散射和非弹性散射吸收：辐射俘获、核裂变等第82页，共102页，2022年，5月20

31、日，22点40分，星期三 中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质电离和激发。1) 弹性碰撞(elastic collision)（一）作用类型第83页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三1) 弹性碰撞(elastic collision)在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内能没有变化，它仍保持在基态，散射前后中子靶核系统的动能和动量守恒，可以把这一过程看作“弹性球”式的碰撞，对此种过程，可根据动能和动

32、量守恒，用经典的方法来处理。第84页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 快中子冲入物质原子核内，把部分能量传给原子核 使核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发态核从中子得到能量以光子的形式释出，原子核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞。2) 非弹性碰撞( inelastic collision)第85页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三2) 非弹性碰撞( inelastic collision)非弹性碰撞中，入射中子的一部分（通常为绝大部分）动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，然后靶核通过发射射线又反射回到基态。散射前后中子与靶核系统

33、的动量守恒，但动能不守恒。只有入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时才能使靶核激发，即只有入射中子的能量高于某一数值时才能发生非弹性散射，非弹性散射具有阈能的特点 。第86页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三慢中子被物质原子核俘获后，形成稳定或不稳定的新核素，这种现象称中子俘获。常被用来生产人工放射性核素 中子俘获包括(n, ),(n,f),(n, )(n,p)四种类型反应 ）中子俘获第87页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三）中子俘获（1）辐射俘获 (n, )反应第88页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三）中子俘获(

34、2) (n,)(n,p)等反应第89页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三）中子俘获(3) 核裂变第90页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三（二）作用特点第91页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 弹性散射：运动方向改变 非弹性散射：中子的一部分能量使核 激发、产生光子 A. 中子不与原子核外层电子发生作用第92页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三B、中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O)nHnnp电离第93页，共102页，2022年，5月20日，22点40分，星期三 2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用 n p电离14N14C 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重12第94页，共102页，202