射线与物质的相互作用

1、4.1 概述4.2 粒子与物质的相互作用4.3 射线与物质的相互作用4.4 射线与物质的相互作用4.5 射线在物质中的衰减4.6 中子与物质的相互作用第一页，共四十二页。*第4.6节 中子与物质的相互作用第二页，共四十二页。一、中子的基本性质与分类（一） 中子的基本性质 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组分。 自由中子是不稳定的。一个自由中子会自发地转变成一个质子、一个电子(粒子)和一个反中微子，并释放出0.782MeV的能量。自由中子的不稳定性反映中子的静止质量稍大于氢原子质量。mn1.0086649u939.565300MeV/c2mH1.007825u938.7830

2、MeV/c2因此贮存自由中子是不可能的。第三页，共四十二页。 中子的寿命：自由中子(发生衰变)的半衰期为T1/2=10.60min 中子的电荷：中子总体是电中性（不带电），是中性粒子。 中子具有强的穿透能力： 中子与物质中原子的电子相互作用很小，基本上不会因使原子电离和激发而损失其能量，因而比相同能量的带电粒子具有强得多的穿透能力。 中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。 产生两个问题：中子的探测（通过与靶核反应或散射产生的带电粒子的测量得到中子能量信息）和对中子的屏蔽及防护。（后续课程要解决的问题）第四页，共四十二页。（二） 中子的分类 慢中子：E10MeV；第五页，共四十二页。

3、二、中子源 为了研究中子与物质相互作用以及它们在实际问题中的应用，首先必须要有能够满足不同要求的中子源以产生所需的中子。 中子源的分类： 加速器中子源 反应堆中子源 放射性中子源性能更好，多用性强，特别是加速器中子源可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用第六页，共四十二页。（一） 加速器中子源 加速器中子源是利用各种带电粒子加速器去加速某些粒子(带电粒子)，如质子和氘等，用它们去轰击靶原子核产生中子。 含义： 这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。 特点： 在低能加速器上用来产生(020)MeV单能中子的核反应：第七页，共四十二页。都是放热反应(Q0)，它

4、们发射中子的能量为： 式中：Ed是入射氘核的动能，mn，md和mB分别是中子、入射氘核和剩余核的质量，Q是反应能，为中子的出射角。 可见：中子的能量不仅和入射氘的动能Ed有关，而且和中子的出射角有关。 两个反应截面随入射粒子能量的变化如下图所示：第八页，共四十二页。 两种反应都会因为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和D(d,np)D的阈能分别为3.71MeV和4.45MeV。是吸热反应(Q0)；反应： 只能得到(120600)KeV的单能中子，其截面随能量Ep(1.922.4MeV)的变化如右图所示：第九页，共四十二页。是吸热反应(

5、Q92)。以252Cf (锎)(Z=98)最常用。 1克252Cf 每秒放出2.311012个中子（即中子产额为2.311012s-1g-1）。同时经衰变发出的射线平均能量为0.8MeV，数目为1.31013个。两种射线数目的比值是一个定值。 252Cf同时具有衰变和自发裂变两种衰变方式。经衰变放出的光子的分支比占96.9%，自发裂变产生中子的分支比占3.1%，有效半衰期为2.64a，中子平均能量为2.2MeV。第十八页，共四十二页。三、中子和物质的相互作用 中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。 中子因不带电，能进入核内组成复合核。复合核的寿命很短，它很快放出中子，光子或其

6、他带电粒子，甚至核裂变。 中子与物质相互作用的基本特点： 作用对象：原子核 作用方式：各种核反应主要核反应形式弹性散射(n,n)非弹性散射(n,n)辐射俘获(n,)核裂变反应(n,f)带电粒子发射(n,),(n,p)多粒子发射(n,2n),(n,np) 当中子能量不同，原子核质量不同时，产生的主要作用形式也不同。第十九页，共四十二页。（一）弹性散射(n,n)Hnnp电离n 中子与靶核碰撞过程中，动能、动量守恒，靶核的能级状态没有改变。相当于两个弹性球的碰撞过程。碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变。 中子的弹性散射更易于发生在与质量数较小的原子核的碰撞过程中。 弹性散射是反应堆中，特别是热中

7、子反应堆中的一种主要中子核反应类型。 热中子反应堆中主要是热中子引发裂变。中子从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量。第二十页，共四十二页。中子的动能损失或反冲核获得的能量为： EM反冲核的动能；En，En分别为碰撞前、后中子的动能；M反冲核质量；m中子质量；实验室坐标系中反冲核的反冲角。式中： 从上式可以看出，原子核的质量越小，在弹性散射过程中，中子损失的能量或原子核得到的反冲动能越大。 当 = 0 时，反冲质子能量最大，Ep = En当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为： 探测中子的重要途径：探测散射产生的反冲核获取中子信息。对反冲质子，测量其能量Ep和反冲角即可得

8、到中子能量En 。第二十一页，共四十二页。（二）非弹性散射(n,n) 中子与靶核的碰撞过程，类似于弹性散射，但是靶核的能级状态有所升高。 碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变，伴随着靶核的衰变。高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。 中子与原子核发生非弹性散射，实际上包括两个过程： 首先是中子被原子核吸收，形成一个复合核。但这个复合核不是处于稳定的基态，而是处于激发态。 很快它就会又放出一个中子，并且放出射线，回到稳定的基态。第二十二页，共四十二页。 非弹性散射的反应式可以表示如下： 非弹性散射的中子能量存在阈值： 在非弹性散射时，中子损失的能量较弹性散射时大。 非弹性散射有阈值：E放出

9、的射线能量；式中：M反冲核质量；m中子质量； 只有当中子能量超过阈值时，非弹性散射才能发生。第二十三页，共四十二页。（三）辐射俘获(n,) 中子进入原子核，被吸收后形成复合核。复合核比原来的核多了一个中子，往往处于激发态，在回到基态时放出光子。 作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一种同位素。 辐射俘获是最常见的核反应。结果是生成核比原来原子核大一个质量数的同位素，即 。生成核往往具有放射性。 中子活化： 一个稳定的同位素经中子照射后，生成放射性核，这种现象称为激化或活化。相应的放射性称为人工放射性或感生放射性。第二十四页，共四十二页。 （n,）是制备放射性同位素的重要途径： 对地质试样进行

10、活化分析时，也是利用（n,）反应： 例如：放射性同位素60Co就是利用（n,）反应得到的。或 60Co是一种常用的放射性源。半衰期为5.25a，衰变时放出1.17MeV和1.33MeV两种能量的射线。 通过测量(n,)反应后的生成核的衰变子体239Np和233Pa，确定试样中的U，Th含量。 239Pu和233U是很好的核燃料，通过(n,)反应，可将自然界中存在的238U和232Th转变成239Pu和233U。第二十五页，共四十二页。（四）核裂变反应(n,f) 含义： 并非所有的物质与中子作用都可以发生裂变。自然界中存在的物质只有235U与中子作用可以发生裂变反应。人工制造的裂变材料包括233

11、U、239U、241Pu等。 中子与重原子核作用时，被靶核所吸收/俘获之后，靶核变成了两个碎片（其它物质的原子核），同时释放出23个中子和大量的能量（结合能）。第二十六页，共四十二页。 裂变过程中产生的中子可以分为瞬发中子和缓发中子。 裂变过程中产生的中子： 瞬发中子： 缓发中子： 绝大部分(99%)的中子是在裂变过程之后的10-8秒放出的，称为瞬发中子。 有很少部分(1%)的中子是在裂变过程之后，经过一段时间才发出的，称为缓发中子。 缓发中子与裂变产物的衰变有关，裂变产物经衰变后，核处于激发态，如果该激发态能量高于中子在核中的结合能，则核会发射中子。 核发射缓发中子有各种不同的半衰期。第二十

12、七页，共四十二页。（五）产生带电粒子的核反应 中子与某些轻核发生作用时，形成复合核并发出带电粒子。 (n,p)反应是发出质子，(n,)反应是发出粒子。它们的反应能量Q有正有负。放热反应(Q0)原则上在任何中子能量时都可发生。吸热反应(Q0)有一个阈值。 带电粒子从核内发射出时，必须克服库仑势垒的阻碍。 势垒高度随Z迅速增加 对慢中子只有在轻核情况下才能发生(n,p)和(n,)反应。和 带电粒子发射： (n, )反应： 探测中子的重要途径：通过测量与中子反应产生的带电粒子获得中子的信息。第二十八页，共四十二页。 例： n + 14N 14C + p 第一步： 核反应产生质子 第二步 ：质子对物质

13、产生电离作用人体有大量 H 和 N 原子中子对人体电离效应严重 伤害也严重n p电离14N14C12 (n,p)反应： 多粒子发射： 如(n,2n)、(n,np)等，这些反应的阈能较高，只有特快中子轰击靶核时才能发生。第二十九页，共四十二页。（六）中子截面 特征：中子与原子核之间的相互作用与射线相似；在一次相互作用中失去部分能量、或被吸收；在单位路程上具有一定的相互作用几率，用截面描述；没有射程的概念。 中子与原子核的作用，根据中子能量，可产生各种作用过程，用s、s、和f，分别表示弹性散射、非弹性散射、辐射俘获和裂变的截面。 表示方式： 中子在介质中与介质原子的电子发生相互作用可忽略不计。第三

14、十页，共四十二页。 总截面t应是所有可能各种反应截面之和： 其中辐射俘获和裂变等反应使中子被吸收，这些反应截面之和a定义为中子被吸收截面，即： 宏观截面： 中子和原子核的反应截面，在中子物理中常称为微观截面。 微观截面和靶物质单位体积内原子核数N的乘积，称为宏观截面，用符号表示：称为宏观总截面。称为宏观吸收截面。称为宏观散射截面。第三十一页，共四十二页。 宏观截面的物理意义：中子束通过靶子的情形 考虑有一靶，其厚度为D，如右图所示。 初始入射中子束的强度为I0，穿过x距离后，中子束的强度变成I(x)。再穿过距离dx后，中子束的强度将进一步的减弱，强度的变化为：上式除以I(x)，得到：中子在xx

15、+dx内，与靶核发生相互作用的概率第三十二页，共四十二页。中子束通过靶子的情形 tdx是中子在dx距离内与靶核发生作用的概率。t的物理意义：中子在靶内单位程长中发生相互作用的概率。 a和s的物理意义：宏观吸收截面a=Na的物理意义： 表示中子穿过物质单位厚度被吸收的概率。宏观散射截面s=Ns的物理意义： 表示中子穿过物质单位厚度被散射的概率。宏观截面的常用单位是cm-1。第三十三页，共四十二页。 宏观截面的计算： 如前所述，微观截面和靶物质单位体积内原子核数N的乘积，称为宏观截面，用符号表示： 靶由单一核素构成： 对靶物质只含一种元素的单一物质，其单位体积内原子核数N：式中：是物质的密度，A是

16、质量数，NA是阿伏加德罗常数。则对应的宏观截面为：第三十四页，共四十二页。 靶由多原子分子构成： 对于多原子分子，设分子量为A，每个分子中第i种原子的数目为li，则单位体积内第i 种原子的总数Ni为： 设i是中子和第i 种原子核发生某种反应的微观截面，则相应的宏观截面为： 动能为1eV的中子，在氢核上的微观散射截面是20b，在氧核上的微观散射截面是3.8b，水的密度=1g/cm3，分子量是18，这时中子在水中的宏观散射截面值是多少？例题：第三十五页，共四十二页。 即表明动能为1eV的中子，在水中经过1cm距离时平均受到1.5次散射。 解：H2O的分子量为18，一个水分子中含2个H原子、1个O原

17、子，则有：第三十六页，共四十二页。 窄中子束的衰减规律： 中子束通过靶子的情形 如前所述，初始入射中子束的强度为I0，穿过x距离后，中子束的强度变成I(x)。再穿过距离dx后，中子束的强度将进一步的减弱，强度的变化为：可见，窄束中子在物质深度x处dx厚度中强度的变化为：利用初始条件x =0处中子强度为I0，解得：第三十七页，共四十二页。思考题： 1、中子源有哪三种类型，各具有什么特点？ 2、中子和物质的相互作用方式有哪些？对辐射俘获方式进行具体说明。探测中子的原理是利用哪些相互作用方式及其原因。 3、请说明中子宏观截面的物理意义、常用单位以及窄中子束在靶物质中服从的衰减规律表达式。第三十八页，

18、共四十二页。本 章 结 束谢 谢！第三十九页，共四十二页。 1、中子源有哪三种类型，各具有什么特点？ 这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。利用数百MeV的脉冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。 加速器中子源的特点： 中子源的三种类型分别为：加速器中子源、反应堆中子源及放射性中子源。 反应堆中子源的特点： 反应堆中子源的特点是中子注量率大，能谱形状比较复杂。 放射性中子源的特点： 包括(,n)、(,n)反应中子源，以及自发裂变中子源。与前两种中子源相比，放射性中子源的特点是可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用。第四十页，共四十二页。 2、中子和物质的相互作用方式有哪些？对辐射俘获方式进行具体说明。探测中子原理是利用哪些相互作用方式及其原因。 中子与物质相互作用方式主要有：弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、核裂变反应、带电粒子发射及多粒子发射。 辐射俘获方式是指：中子进入原子核，被吸收后形成复合核。复合核比原来的核多了一个中子，往往处于激发态，在回到基