射线与物质的相互作用

射线与物质的相互作用第一页，共一百零三页，2022年，8月28日6.1概述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。第二页，共一百零三页，2022年，8月28日2、射线与物质相互作用的分类ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays第三页，共一百零三页，2022年，8月28日3、弹性碰撞与非弹性碰撞为内能项

弹性碰撞（即动能守恒）非弹性碰撞（即动能不守恒）为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；

为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。

第四页，共一百零三页，2022年，8月28日4、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第五页，共一百零三页，2022年，8月28日(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。第六页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第七页，共一百零三页，2022年，8月28日(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。第八页，共一百零三页，2022年，8月28日(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。第九页，共一百零三页，2022年，8月28日(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。第十页，共一百零三页，2022年，8月28日6.2重带电粒子与物质的相互作用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。InteractionofHeavyChargedParticles第十一页，共一百零三页，2022年，8月28日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”。

第十二页，共一百零三页，2022年，8月28日对重带电粒子，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。第十三页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第十四页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第十五页，共一百零三页，2022年，8月28日在x方向，电子获得的动量为：因此，有：第十六页，共一百零三页，2022年，8月28日由于：所以：令：则：第十七页，共一百零三页，2022年，8月28日碰撞参量为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：第十八页，共一百零三页，2022年，8月28日在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？第十九页，共一百零三页，2022年，8月28日可以容易知道，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：第二十页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第二十一页，共一百零三页，2022年，8月28日代入和，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：第二十二页，共一百零三页，2022年，8月28日

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为电子静止质量第二十三页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第二十四页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第二十五页，共一百零三页，2022年，8月28日能量歧离(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。能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。第二十六页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第二十七页，共一百零三页，2022年，8月28日若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：第二十八页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第二十九页，共一百零三页，2022年，8月28日射程歧离：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。第三十页，共一百零三页，2022年，8月28日阻止时间：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)：第三十一页，共一百零三页，2022年，8月28日取k＝0.6单位：秒单位：米单位：u单位：MeV第三十二页，共一百零三页，2022年，8月28日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：3)相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系Bragg－Kleemanrule:第三十三页，共一百零三页，2022年，8月28日A为相应物质的原子量；为相应物质的密度。相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系可用一半经验公式描述：多种元素组成的物质的原子量怎么计算？定比定律第三十四页，共一百零三页，2022年，8月28日对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为：化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数。对空气：已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其他物质中的射程：第三十五页，共一百零三页，2022年，8月28日4)同一吸收物质中不同重带电粒子的射程之间的关系。粒子初速度的单值函数，对于同样的v值，不同粒子取相同的数值。定比定律入射粒子的属性第三十六页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第三十七页，共一百零三页，2022年，8月28日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。减小第三十八页，共一百零三页，2022年，8月28日6.3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。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。第三十九页，共一百零三页，2022年，8月28日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：碰撞损失(Collisionallosses)第四十页，共一百零三页，2022年，8月28日辐射能量损失：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第四十一页，共一百零三页，2022年，8月28日讨论：(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。第四十二页，共一百零三页，2022年，8月28日对电子，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(大Z)的吸收材料中才是重要的。第四十三页，共一百零三页，2022年，8月28日2、快电子的吸收与射程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。第四十四页，共一百零三页，2022年，8月28日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：探测器源第四十五页，共一百零三页，2022年，8月28日对单能电子，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：第四十六页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第四十七页，共一百零三页，2022年，8月28日对粒子，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第四十八页，共一百零三页，2022年，8月28日射线在铝中的射程：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~400Emax，(cm,MeV)对比：4MeV在空气中的射程约为2.5cm。第四十九页，共一百零三页，2022年，8月28日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：探测器第五十页，共一百零三页，2022年，8月28日对同种材料，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：第五十一页，共一百零三页，2022年，8月28日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。探测器第五十二页，共一百零三页，2022年，8月28日3、正电子的湮没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。正电子的特点是：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。第五十三页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第五十四页，共一百零三页，2022年，8月28日因此，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=mc2TwophotonstravelinexactlyoppositedirectionsElectron第五十五页，共一百零三页，2022年，8月28日正电子在材料中发生湮没的概率：材料中的电子密度，单位1/cm3；电子的经典半径，光速,Z,A为材料的密度、原子序数和原子量。正电子寿命=1/P，固体中=10-10s，气体中=10-7s第五十六页，共一百零三页，2022年，8月28日小结——带电粒子与物质的相互作用第五十七页，共一百零三页，2022年，8月28日InteractionCharacteristics: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和较大的能量转移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HeavyChargedParticleInteractions第五十八页，共一百零三页，2022年，8月28日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和较小的能量转移每次碰撞损失能量大路径不是直线，散射大第五十九页，共一百零三页，2022年，8月28日射线与物质的相互作用6.4第六十页，共一百零三页，2022年，8月28日探测学中射线含义——电磁辐射特征射线：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第六十一页，共一百零三页，2022年，8月28日特点：光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子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；

次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

第六十二页，共一百零三页，2022年，8月28日射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍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第六十三页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第六十四页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第六十五页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第六十六页，共一百零三页，2022年，8月28日对：，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。第六十七页，共一百零三页，2022年，8月28日光电效应截面小结：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。第六十八页，共一百零三页，2022年，8月28日+++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。第六十九页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第七十页，共一百零三页，2022年，8月28日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。康普顿散射可近似为光子与自由电子发生相互作用（弹性碰撞）。康普顿效应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上。第七十一页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第七十二页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第七十三页，共一百零三页，2022年，8月28日小结：(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。第七十四页，共一百零三页，2022年，8月28日2)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。第七十五页，共一百零三页，2022年，8月28日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。第七十六页，共一百零三页，2022年，8月28日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－Nihsina公式给出：第七十七页，共一百零三页，2022年，8月28日微分截面有时也用表示那么，和什么关系？第七十八页，共一百零三页，2022年，8月28日3)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。第七十九页，共一百零三页，2022年，8月28日为反冲电子落在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。第八十页，共一百零三页，2022年，8月28日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，在核库仑场的作用下，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。第八十一页，共一百零三页，2022年，8月28日1)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。第八十二页，共一百零三页，2022年，8月28日3)电子对效应的截面当：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。当：稍大于时：第八十三页，共一百零三页，2022年，8月28日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：第八十四页，共一百零三页，2022年，8月28日4、其他作用过程(1)相干散射——Rayleigh散射，是低能光子与束缚电子间的弹性散射。其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。(2)三产生——当入射光子能量大于10MeV后，在电子对产生的同时，核外还会发射一个电子，即产生“一电子对”加“一反冲电子”。第八十五页，共一百零三页，2022年，8月28日7、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。第八十六页，共一百零三页，2022年，8月28日对上面的方程积分：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第八十七页，共一百零三页，2022年，8月28日质量吸收系数：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。(2)非窄束射线强度的衰减规律积累因子第八十八页，共一百零三页，2022年，8月28日13.1

中子的分类与性质1、中子的分类2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。4)特快中子：>10MeV。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.第八十九页，共一百零三页，2022年，8月28日2、中子的性质质量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2自旋：sn＝1/2,费米子电荷：0，中性粒子磁矩：n＝－1.913042N中子寿命：发生－衰变的半衰期T1/2=10.60min第九十页，共一百零三页，2022年，8月28日13.2中子源1)241Am-Be中子源。属于(,n)型中子源。由241Am放射源放出的粒子，打在Be上发生反应，产生中子。性能：中子产额——2.2×106/s.CiT1/2＝433年；1、同位素中子源中子能量为0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/比(中子强度比)为10:1；第九十一页，共一百零三页，2022年，8月28日2)(,n)型中子源。利用(,n)反应获得中子。优点：中子能量单一；缺点：中子产额低，装置体积大。3)自发裂变中子源自发裂变中子源为超铀元素。以252Cf

(锎)最常用。1克252Cf

发射中子率为2.31×1013个中子。半衰期：T1/2(自发裂变)＝85.5a，T1/2(衰变)＝2.64a。中子平均能量为2.2MeV。第九十二页，共一百零三页，2022年，8月28日2、加速器中子源可以在相当宽的能区内获得单能中子源。主要反应：对放能反应，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入射氘核能量不高时(Td200KeV)，反应就可以有效进行，当＝90时，就可得到能量分别为~2.5MeV和~14MeV的单能中子。3、反应堆中子源宽中子能量：0.001eV~十几MeV高中子通量：第九十三页，共一百零三页，2022年，8月28日13.3中子与物质的相互作用1.中子的散射1)弹性散射(n,n)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。出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。出射中子的动能：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，Tp=Tn第九十四页，共一百零三页，2022年，8月28日反冲质子在实验室座标系中的能量分布的概率密度函数为：即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲质子的能量分布是一个矩形，最大能量为Tn，最小为零。这个关系可用于快中子能谱测量。2)非弹性散射(n,n’)入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有重要的应用。第九十五页，共一百零三页，2022年，8月28日2.中子的俘获1)中子的辐射俘获(n,)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。这些特征光子不同于(n,n’)的特征光子。由于这些光子的发射与复