第二章射线与物质的相互作用-辐射测量原理课件

第二章

射线与物质的相互作用RadiationInteractionswithMatter1第二章

射线与物质的相互作用RadiationInte2.1带电粒子与靶物质原子的碰撞2.1.1什么是射线？射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。22.1带电粒子与靶物质原子的碰撞2.1.1什么是射线？射2.1.2带电粒子在靶物质中的慢化

载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：(a)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。(b)辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。(c)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞(d)带电粒子与核外电子弹性碰撞32.1.2带电粒子在靶物质中的慢化载能带电粒子在靶物质中(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程

入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。

电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。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。4(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。5当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—轫致辐射Bremsstrahlung。当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。尤其对β粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。6(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子轫致辐射原子核对于轻质量的高速带电粒子组成的射线如β通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。7轫致辐射原子核对于轻质量的高速带电粒子组成的(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞

带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。8(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的库仑(4)带电粒子与核外电子的弹性碰撞受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的β粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。9(4)带电粒子与核外电子的弹性碰撞受核外电子的库仑力作用，入2.2重带电粒子与物质的相互作用2.2.1重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒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；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。InteractionofHeavyChargedParticles102.2重带电粒子与物质的相互作用2.2.1重带电粒子与物质1111α

射线与β射线电离效应比较

实验结果12α射线与β射线电离效应比较实验结果122.2.2重带电粒子在物质中的能量损失规律(1)能量损失率(SpecificEnergyLoss)指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领(StoppingPower)。

按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。

132.2.2重带电粒子在物质中的能量损失规律(1)能量损失率对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。(2)Bethe公式(Betheformula)

Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。14对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的Bethe公式的推导1)物质原子的电子可看成是自由的。(入射粒子的动能远大于电子的结合能)2)物质原子的电子可看成是静止的。(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度)3)碰撞后入射粒子仍按原方向运动。(碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向几乎不变)公式推导的简化条件：15Bethe公式的推导1)物质原子的电子可看成是自由的。(入重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子受到的库仑力：该作用过程的时间为：在时间内，带电粒子传给电子的动量为：整个作用过程中，传给电子的总动量为：16重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子受到的库仑力：该作用过程在x方向，电子获得的动量为：因此，有：17在x方向，电子获得的动量为：因此，有：17由于：所以：令：则：18由于：所以：令：则：18碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参数为b时，单个电子所得的动能为：碰撞参数为b的电子数为：在dx距离内,碰撞参数为b的电子得到的总动能为：19碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参数为b时，单个电子在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在dx距离内损失的动能)为：显然，不能为“”，也不能为“0”，否则(-dE/dx)将为，是不合理的！和该如何取值呢？20在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在d可以容易知道，对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞理论，重粒子与电子对心碰撞时，电子将获得最大动能，约为根据：21可以容易知道，对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级的能量。根据：22对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合代入和，可得到电离能量损失率为：对：按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为只是：23代入和，可得到电离能量损失率为：对：按量子理论推导出

考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：其中：入射粒子电荷数入射粒子速度靶物质单位体积的原子数靶物质原子的原子序数靶物质平均等效电离电位m0为电子静止质量24考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率(3)Bethe公式的讨论2)、与带电粒子的电荷z的关系；1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。3)、与带电粒子的速度v的关系：非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。25(3)Bethe公式的讨论2)、与带电(4)Bragg曲线与能量歧离Bragg曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。26(4)Bragg曲线与能量歧离Bragg曲线：带电粒子的能能量歧离(EnergyStraggling)：

单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。能量歧离是由单个粒子能量损失是一个随机过程所决定的。27能量歧离(EnergyStraggling)：单能粒子穿2.2.3重带电粒子在物质中的射程1)射程(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。路程>射程重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。282.2.3重带电粒子在物质中的射程1)射程(Range)若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：29若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：29射程往往通过实验测定：探测器源平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程长；反之则短。在某种物质中，确定的入射重带电粒子的射程与粒子能量之间存在着确定的关系，常以曲线的形式给出。30射程往往通过实验测定：探测器源平均射程外推射程入射粒子能量高射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。31射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单2)粒子在空气中的射程为粒子能量，单位为MeV。公式适用范围：322)粒子在空气中的射程为粒子能量，单位为MeV。公式适阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。阻止时间T＝粒子射程R粒子的平均速度对非相对论粒子(质量M，动能E)：33阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。阻止时间T＝粒取k＝0.6单位：秒单位：米单位：u单位：MeV34取k＝0.6单位：秒单位：米单位：u单位：MeV342.2.4重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：简单测厚仪原理：352.2.4重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在薄吸收物件探伤（辐射探伤仪）工作原理一束平行射线射向被检测物件，在物件的另一侧放置探测器，如下图dρ气泡等裂隙36物件探伤（辐射探伤仪）dρ气泡等裂隙36常用方法强度测量法辐射探伤常用源：60Co,137Cs辐射探伤常用源活度：1011Bq

～1012Bq示意图:率表源电离室37常用方法强度测量法率表源电离室372.2.5裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。很大，射程很短随着它在吸收体内损耗能量而减小。减小382.2.5裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有2.3快电子与物质的相互作用快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；快电子散射严重，径迹非直线。

InteractionofFastElectrons重带电粒子相对速度小；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。392.3快电子与物质的相互作用快电子与物质相互作用的特点：快40402.3.1快电子的能量损失率对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。电子电离能量损失率的Bethe公式：412.3.1快电子的能量损失率对快电子，必须考虑相对论效应时的辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波，即轫致辐射。辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：入射粒子的电荷、能量及质量吸收物质的原子序数和单位体积的原子数42辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速讨论：(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。当要吸收、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。(2)：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。(3)：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。43讨论：(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m对电子，其辐射能量损失率为：电子的两种能量损失率之比：E的单位为MeV探测学中所涉及快电子的能量E一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(高Z)的吸收材料中才是重要的。44对电子，其辐射能量损失率为：电子的两种能量损失率之比：E的单2.3.2快电子的射程与吸收电子的运动径迹是曲折的。电子的射程和路程相差很大。电子的射程比路程小得多。452.3.2快电子的射程与吸收电子的运动径迹是曲折的。电子的1)单能电子的吸收与β粒子吸收的差别由于单能电子和β粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于α粒子。但均存在最大射程Rmax。射程往往通过实验测定：探测器源461)单能电子的吸收与β粒子吸收的差别由于单能电子和β粒子易对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数：质量厚度表示的射程单位为：47对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系：经验公式：48单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(M对粒子，当吸收介质的厚度远小于时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：为吸收体的吸收系数t为吸收体的厚度m为吸收体的质量吸收系数tm

为吸收体的质量厚度49对粒子，当吸收介质的厚度远小于时，粒子的吸收射线在铝中的射程：当时，当时，其它典型物质中射线的射程：Ge：R~Emax，(mm,MeV)Al：R~2Emax，(mm,MeV)Air：R~4000Emax，(mm,MeV)对比：4MeV在空气中的射程约为2.5cm。50射线在铝中的射程：当2)电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。定义反散射系数：512)电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的入射电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。对低能电子在高原子序数的厚样品物质上的反散射系数可达50％。从实验曲线看出：52对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的反散射的利用与避免1)对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。2)对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。给源加一个高Z厚衬底。使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。探测器53反散射的利用与避免1)对放射源而言，利用反散射可以提高β源2.3.3正电子与物质的相互作用正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子——正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。正电子的特点：正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。542.3.3正电子与物质的相互作用正电子与物质发生相互5555正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37％。从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：56正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。PairAnnihilationPositron511keV511keVE=mc2TwophotonstravelinexactlyoppositedirectionsElectron57因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。小结——带电粒子与物质的相互作用58小结——带电粒子与物质的相互作用58InteractionCharacteristics:主要为电离能量损失单位路径上有多次作用——单位路径上会产生许多离子对每次碰撞损失能量少运动径迹近似为直线在所有材料中的射程均很短HeavyChargedParticleInteractions59InteractionCharacteristics:每次ElectronsandPositronsInteractionsInteractionCharacteristics:电离能量损失和辐射能量损失单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对每次碰撞损失能量大路径不是直线，散射大60ElectronsandPositronsIntera特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原子能级跃迁轫致辐射：带电粒子速度或运动方向改变产生2.4射线与物质的相互作用61特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原特点：光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；

产生次级粒子主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

62特点：光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，常用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：总截面光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面63射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，常用截面这个2.4.1光电效应PhotoelectricEffect射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的K层电子上。光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。642.4.1光电效应PhotoelectricEffect(1)光电子的能量由能量守恒：因此，光电子能量为：光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。65(1)光电子的能量由能量守恒：因此，光电子能量为：光电效应(2)光电截面入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。k为k层光电截面理论上可给出的光电效应截面公式。66(2)光电截面入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光对：，即非相对论情况

经典电子散射截面，又称Thomson截面。

对：，即相对论情况

对：与吸收限有关，在吸收限

处出现阶跃而成锯齿状。67对：，即非相对论情况经典电子散射截面，又称Thomson截光电效应截面小结：对于选择探测器的材料的提示：对防护、屏蔽射线的提示：1)与吸收材料Z的关系光子能量越高，光电效应截面越小。2)与射线能量的关系采用高原子序数的材料，可提高探测效率。采用高Z材料可以有效阻挡射线。68光电效应截面小结：对于选择探测器的材料的提示：对防护、屏蔽+++(3)光电子的角分布光电子的角分布代表进入平均角度为

方向的单位立体角内的光电子数的比例。相对于入射光子方向的角度。69+++(3)光电子的角分布光电子的角分布代表进入平均角度为在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。光电子角分布的特点：(1)在＝0和＝180方向没有光电子飞出；(2)光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。70在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，717172722.4.2康普顿效应ComptonEffect

康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。732.4.2康普顿效应ComptonEffect康1)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系光子的能量：电子的动能：光子的动量：电子的动量：相对论关系：741)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关由能量守恒由动量守恒可得到：散射光子能量：反冲电子能量：反冲角：75由能量守恒由动量守恒可得到：散射光子能量：反冲电子能量：反冲小结：(1)散射角

＝0时，表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。(2)散射角

＝180时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。(3)散射角

在0～180之间连续变化；反冲角在90～0相应变化。76小结：(1)散射角＝0时，表明：入射光子从电子旁边77772)康普顿散射截面入射光子与单个电子发生康普顿效应的截面称之为康普顿散射截面。近似与光子能量成反比。近似与入射光子能量无关，为常数。782)康普顿散射截面入射光子与单个电子发生康普顿效应的截面称对整个原子的康普顿散射的总截面Z大，康普顿散射截面大；入射粒子能量大，康普顿散射截面小。康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。79对整个原子的康普顿散射的总截面Z大，康普顿散射截面大；入射其中康普顿散射的微分截面表示散射光子落在某方向单位立体角内的概率。可由Klein－Nishina公式给出：80其中康普顿散射的微分截面表示散射光子落在某方向单位立体角内微分截面有时也用表示那么，和什么关系？81微分截面有时也用表示那么，和82823)反冲电子的角分布和能量分布为反冲电子落在方向单位立体角内的概率。为反冲电子落在方向单位反冲角内的概率。833)反冲电子的角分布和能量分布为反冲电子落在方向单位立体8484为反冲电子落在Ee处单位能量间隔的概率。反冲电子的能量分布，即反冲电子的能谱。小结：(1)任何一种单能射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。(2)在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。85为反冲电子落在Ee处单位能量间隔的概率。反冲电子的能量分布，86862.4.3电子对效应PairProduction

电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(>1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核力的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者——原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV。872.4.3电子对效应PairProduction88881)正负电子的能量由能量守恒：因此，正负电子的总动能为：总动能是在电子和正电子之间随机分配的，都可以从取值。由动量守恒，电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。2)正负电子的运动方向而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。891)正负电子的能量由能量守恒：因此，正负电子的总动能为：总3)电子对效应的截面时：电子对效应截面随Z的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而增加。稍大于时：903)电子对效应的截面时：电子对效应截面随Z的增加而增加，也4)电子对效应的后续过程正电子的湮没。0.511MeV的湮没辐射正电子湮没＋衰变电子对效应分析能谱时，若发现：914)电子对效应的后续过程正电子的湮没。0.511MeV的光电效应康普顿散射电子对效应

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；小结92光电效应康普顿散射电子对效应低能、高Z，光电效应占优93932.4.4其他作用过程(1)相干散射——汤姆森散射，是低能光子与束缚电子间的弹性散射，靶原子保持初始状态。是弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。(3)核共振反应——入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。（2）光致核反应——大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，发射出粒子。942.4.4其他作用过程(1)相干散射——汤姆森散射，是低2.4.5物质对射线的吸收(1)窄束射线强度的衰减规律为光子与吸收物质作用的截面；N为吸收物质单位体积的原子数；I0为射线入射强度；D为吸收物质厚度。952.4.5物质对射线的吸收(1)窄束射线强度的衰减规微观截面（microscopiccrosssection)表示平均一个入射光子与单位面积靶上一个靶核发生相互作用的几率大小。具有面积的量纲，但不等于靶核的几何截面。96微观截面（microscopiccrosssection微观截面的引入薄靶（thintarget)实验：单位：m2、cm2、b（靶恩）1b=10-28m297微观截面的引入单位：m2、cm2、b（靶恩）1b=1对上面的方程积分：在t～t+dt层内单位时间光子数的变化为：等于在该层物质内单位时间发生的作用数。光子束通过物质时的强度为：其中：线性吸收系数又称为宏观截面98对上面的方程积分：在t～t+dt层内单位时间光子数的变化为：质量吸收系数：质量厚度：质量吸收系数与物质状态无关。与带电粒子不同，射线没有射程的概念。窄束射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。99质量吸收系数：质量厚度：质量吸收系数与物质状态无关。与带电粒中子探测的特点：1)中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电离、激发。2)在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变、核活化等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p，f等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。3)中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大的中子探测效率。2.5中子探测技术100中子探测的特点：1)中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的2.5.1

中子的分类2)中能中子：1～100KeV。1)慢中子：<1KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。3)快中子：0.1～20MeV。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.1012.5.1中子的分类2)中能中子：1～100KeV。1)（1）核反应法主要的核反应有：反应截面与中子能量的关系：1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其是热中子的测量。2.5.2中子探测的基本原理102（1）核反应法主要的核反应有：反应截面与中子能量的关系：反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于慢中子探测，即：故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此，核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大易于甄别去除本底信号。探测介质中含有上述核素的气体探测器(三氟化硼正比计数器、含硼电离室、氦三计数管）、闪烁探测器（载硼闪烁计数器、氟化锂或锂玻璃探测器），或上述材料作为外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测。103反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反反冲核的动能：当反冲核为质子(氢核)时，M＝m，上式变为：当=0时，反冲质子能量最大，Ep=En出射中子的动能：（2）核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。104反冲核的动能：当反冲核为质子(氢核)时，M＝m，上式变为：当主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输出信号。反冲质子能量：

反冲质子法主要用于快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱。105主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。反冲质子使

插入式中子慢化水分计106插入式中子慢化水分计106（3）核裂变法中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子通量。裂变碎片的总动能为150～170MeV，形成的脉冲幅度比本底脉冲幅度大得多，可用于强辐射场内中子的测量。107（3）核裂变法中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如235U的热中子截面为580b。仅适用于热中子的注量率测量。一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能发生核裂变，可用此判断中子的能量。108热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如2中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。由于这些光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核分析技术中有重要的应用。当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的强度。（4）活化法109中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热中子强度测量。110选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测通过放射技术即时测算发动机损耗情况扫描汽车发动机以检测齿轮受辐照的齿轮齿尖记数率计计算机汽油过滤器与伽马监测器装配111通过放射技术即时测算发动机损耗情况扫描汽车发动机以检测齿轮受黄玉黄玉(Al2[SiO4](F，OH))112黄玉黄玉(Al2[SiO4](F，OH))112锂辉石锂辉石(LiAl(SiO3)2)113锂辉石锂辉石(LiAl(SiO3)2)113蓝黄晶(通过辐照改变颜色)114蓝黄晶(通过辐照改变颜色)114方法中子与核的作用所用材料(辐射体)截面(10-24cm-2)用途核反应法(n,α)(n,p)10B，6Li，3He～1000热、慢中子通量密度核反冲法(n,n)H～1快中子能量核裂变法(n,f)235U，239Pu阈能238U～500～1热中子通量密度核活化法(n,γ)In，Au，Dy热中子～100共振中子～1000快中子～1中子通量密度中子与物质相互作用小结：115方法中子与核的作用所用材料(辐射体)截面(10-24cm-2TheEnd!116TheEnd!116

1、什么是带电粒子的电离损失和辐射损失？其作用机制各是什么？2、什么叫能量歧离？引起能量歧离的本质是什么？3、射程与路程有什么差别？入射粒子的射程如何定义？4、从辐射损失的理论表达式得到什么重要结论？为什么在电子与物质相互作用中辐射损失才是重要的？思考题1171、什么是带电粒子的电离损失和辐射损失？其作用机制各

5、射线与物质相互作用和带电粒子与物质相互作用的最基本的差别是什么？6、光电效应截面与入射射线的能量和吸收介质有什么关系？7、康普顿散射是入射光子与原子的核外电子之间的非弹性散射，为什么可以按弹性散射来处理？8、韧致辐射的产生机制是什么？韧致辐射的最大能量与入射带电粒子(主要是电子)能量有什么关系？思考题1185、射线与物质相互作用和带电粒子与物质相互作用的最基

9、什么是核反冲法？简述用水对中子进行慢化的基本原理。10、什么是核活化法？如果以115In为例说明。思考题1199、什么是核反冲法？简述用水对中子进行慢化的基本原理教材P67：第8、11题。作业：120教材P67：第8、11题。作业：120第二章

射线与物质的相互作用RadiationInteractionswithMatter121第二章

射线与物质的相互作用RadiationInte2.1带电粒子与靶物质原子的碰撞2.1.1什么是射线？射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。1222.1带电粒子与靶物质原子的碰撞2.1.1什么是射线？射2.1.2带电粒子在靶物质中的慢化

载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：(a)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。(b)辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。(c)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞(d)带电粒子与核外电子弹性碰撞1232.1.2带电粒子在靶物质中的慢化载能带电粒子在靶物质中(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程

入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。

电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。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。124(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。125当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—轫致辐射Bremsstrahlung。当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。尤其对β粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。126(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子轫致辐射原子核对于轻质量的高速带电粒子组成的射线如β通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。127轫致辐射原子核对于轻质量的高速带电粒子组成的(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞

带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。128(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的库仑(4)带电粒子与核外电子的弹性碰撞受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的β粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。129(4)带电粒子与核外电子的弹性碰撞受核外电子的库仑力作用，入2.2重带电粒子与物质的相互作用2.2.1重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒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；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。InteractionofHeavyChargedParticles1302.2重带电粒子与物质的相互作用2.2.1重带电粒子与物质13111α

射线与β射线电离效应比较

实验结果132α射线与β射线电离效应比较实验结果122.2.2重带电粒子在物质中的能量损失规律(1)能量损失率(SpecificEnergyLoss)指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领(StoppingPower)。

按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。

1332.2.2重带电粒子在物质中的能量损失规律(1)能量损失率对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。(2)Bethe公式(Betheformula)

Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。134对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的Bethe公式的推导1)物质原子的电子可看成是自由的。(入射粒子的动能远大于电子的结合能)2)物质原子的电子可看成是静止的。(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度)3)碰撞后入射粒子仍按原方向运动。(碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向几乎不变)公式推导的简化条件：135Bethe公式的推导1)物质原子的电子可看成是自由的。(入重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子受到的库仑力：该作用过程的时间为：在时间内，带电粒子传给电子的动量为：整个作用过程中，传给电子的总动量为：136重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子受到的库仑力：该作用过程在x方向，电子获得的动量为：因此，有：137在x方向，电子获得的动量为：因此，有：17由于：所以：令：则：138由于：所以：令：则：18碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参数为b时，单个电子所得的动能为：碰撞参数为b的电子数为：在dx距离内,碰撞参数为b的电子得到的总动能为：139碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参数为b时，单个电子在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在dx距离内损失的动能)为：显然，不能为“”，也不能为“0”，否则(-dE/dx)将为，是不合理的！和该如何取值呢？140在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在d可以容易知道，对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞理论，重粒子与电子对心碰撞时，电子将获得最大动能，约为根据：141可以容易知道，对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级的能量。根据：142对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合代入和，可得到电离能量损失率为：对：按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为只是：143代入和，可得到电离能量损失率为：对：按量子理论推导出

考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：其中：入射粒子电荷数入射粒子速度靶物质单位体积的原子数靶物质原子的原子序数靶物质平均等效电离电位m0为电子静止质量144考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率(3)Bethe公式的讨论2)、与带电粒子的电荷z的关系；1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。3)、与带电粒子的速度v的关系：非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。145(3)Bethe公式的讨论2)、与带电(4)Bragg曲线与能量歧离Bragg曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。146(4)Bragg曲线与能量歧离Bragg曲线：带电粒子的能能量歧离(EnergyStraggling)：

单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。能量歧离是由单个粒子能量损失是一个随机过程所决定的。147能量歧离(EnergyStraggling)：单能粒子穿2.2.3重带电粒子在物质中的射程1)射程(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。路程>射程重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。1482.2.3重带电粒子在物质中的射程1)射程(Range)若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：149若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：29射程往往通过实验测定：探测器源平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程长；反之则短。在某种物质中，确定的入射重带电粒子的射程与粒子能量之间存在着确定的关系，常以曲线的形式给出。150射程往往通过实验测定：探测器源平均射程外推射程入射粒子能量高射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。151射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单2)粒子在空气中的射程为粒子能量，单位为MeV。公式适用范围：1522)粒子在空气中的射程为粒子能量，单位为MeV。公式适阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。阻止时间T＝粒子射程R粒子的平均速度对非相对论粒子(质量M，动能E)：153阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。阻止时间T＝粒取k＝0.6单位：秒单位：米单位：u单位：MeV154取k＝0.6单位：秒单位：米单位：u单位：MeV342.2.4重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：简单测厚仪原理：1552.2.4重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在薄吸收物件探伤（辐射探伤仪）工作原理一束平行射线射向被检测物件，在物件的另一侧放置探测器，如下图dρ气泡等裂隙156物件探伤（辐射探伤仪）dρ气泡等裂隙36常用方法强度测量法辐射探伤常用源：60Co,137Cs辐射探伤常用源活度：1011Bq

～1012Bq示意图:率表源电离室157常用方法强度测量法率表源电离室372.2.5裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。很大，射程很短随着它在吸收体内损耗能量而减小。减小1582.2.5裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有2.3快电子与物质的相互作用快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；快电子散射严重，径迹非直线。

InteractionofFastElectrons重带电粒子相对速度小；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。1592.3快电子与物质的相互作用快电子与物质相互作用的特点：快160402.3.1快电子的能量损失率对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。电子电离能量损失率的Bethe公式：1612.3.1快电子的能量损失率对快电子，必须考虑相对论效应时的辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波，即轫致辐射。辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：入射粒子的电荷、能量及质量吸收物质的原子序数和单位体积的原子数162辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速讨论：(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。当要吸收、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。(2)：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。(3)：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。163讨论：(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m对电子，其辐射能量损失率为：电子的两种能量损失率之比：E的单位为MeV探测学中所涉及快电子的能量E一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(高Z)的吸收材料中才是重要的。164对电子，其辐射能量损失率为：电子的两种能量损失率之比：E的单2.3.2快电子的射程与吸收电子的运动径迹是曲折的。电子的射程和路程相差很大。电子的射程比路程小得多。1652.3.2快电子的射程与吸收电子的运动径迹是曲折的。电子的1)单能电子的吸收与β粒子吸收的差别由于单能电子和β粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于α粒子。但均存在最大射程Rmax。射程往往通过实验测定：探测器源1661)单能电子的吸收与β粒子吸收的差别由于单能电子和β粒子易对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数：质量厚度表示的射程单位为：167对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系：经验公式：168单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(M对粒子，当吸收介质的厚度远小于时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：为吸收体的吸收系数t为吸收体的厚度m为吸收体的质量吸收系数tm

为吸收体的质量厚度169对粒子，当吸收介质的厚度远小于时，粒子的吸收射线在铝中的射程：当时，当时，其它典型物质中射线的射程：Ge：R~Emax，(mm,MeV)Al：R~2Emax，(mm,MeV)Air：R~4000Emax，(mm,MeV)对比：4MeV在空气中的射程约为2.5cm。170射线在铝中的射程：当2)电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。定义反散射系数：1712)电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的入射电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。对低能电子在高原子序数的厚样品物质上的反散射系数可达50％。从实验曲线看出：172对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的反散射的利用与避免1)对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。2)对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。给源加一个高Z厚衬底。使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。探测器173反散射的利用与避免1)对放射源而言，利用反散射可以提高β源2.3.3正电子与物质的相互作用正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子——正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。正电子的特点：正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。1742.3.3正电子与物质的相互作用正电子与物质发生相互17555正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37％。从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：176正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。PairAnnihilationPositron511keV511keVE=mc2TwophotonstravelinexactlyoppositedirectionsElectron177因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。小结——带电粒子与物质的相互作用178小结——带电粒子与物质的相互作用58InteractionCharacteristics:主要为电离能量损失单位路径上有多次作用——单位路径上会产生许多离子对每次碰撞损失能量少运动径迹近似为直线在所有材料中的射程均很短HeavyChargedParticleInteractions179InteractionCharacteristics:每次ElectronsandPositronsInteractionsInteractionCharacteristics:电离能量损失和辐射能量损失单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对每次碰撞损失能量大路径不是直线，散射大180ElectronsandPositronsIntera特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原子能级跃迁轫致辐射：带电粒子速度或运动方向改变产生2.4射线与物质的相互作用181特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原特点：光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；

产生次级粒子主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

182特点：光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，常用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：总截面光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面183射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，常用截面这个2.4.1光电效应PhotoelectricEffect射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的K层电子上。光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。1842.4.1光电效应PhotoelectricEffect(1)光电子的能量由能量守恒：因此，光电子能量为：光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。185(1)光电子的能量由能量守恒：因此，光电子能量为：光电效应(2)光电截面入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。k为k层光电截面理论上可给出的光电效应截面公式。186(2)光电截面入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光对：，即非相对论情况

经典电子散射截面，又称Thomson截面。

对：，即相对论情况

对：与吸收限有关，在吸收限

处出现阶跃而成锯齿状。187对：，即非相对论情况经典电子散射截面，又称Thomson截光电效应截面小结：对于选择探测器的材料的提示：对防护、屏蔽射线的提示：1)与吸收材料Z的关系光子能量越高，光电效应截面越小。2)与射线能量的关系采用高原子序数的材料，可提高探测效率。采用高Z材料可以有效阻挡射线。188光电效应截面小结：对于选择探测器的材料的提示：对防护、屏蔽+++(3)光电子的角分布光电子的角分布代表进入平均角度为

方向的单位立体角内的光电子数的比例。相对于入射光子方向的角度。189+++(3)光电子的角分布光电子的角分布代表进入平均角度为在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。光电子角分布的特点：(1)在＝0和＝180方向没有光电子飞出；(2)光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。190在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，19171192722.4.2康普顿效应ComptonEffect

康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。1932.4.2康普顿效应ComptonEffect康1)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系光子的能量：电子的动能：光子的动量：电子的动量：相对论关系：1941)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关由能量守恒由动量守恒可得到：散射光子能量：反冲电子能量：反冲角：195由能量守恒由动量守恒可得到：散射光子能量：反冲电子能量：反冲小结：(1)散射角

＝0时，表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。(2)散射角

＝180时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。(3)散射角

在0～180之间连续变化；反冲角在90～0相应变化。196小结：(1)散射角＝0