第6章-射线与物质的相互作用

第六章射线与物质的相互作用

RadiationInteractionswithMatter2§6.1概论§6.2重带电粒子与物质的相互作用§6.3快电子与物质的相互作用§6.4γ射线与物质的相互作用§6.5中子与物质的相互作用√3§6.1概论什么是射线？致电离辐射的种类弹性碰撞和非弹性碰撞带电粒子在物质中的慢化4一.什么是射线？为什么讨论射线？α、β、γ、中子等能够形成直接或间接致电离的辐射。辐射能量大于10eV→致电离辐射(IonizingRadiation)。可使探测介质的原子发生电离。什么是射线(radiation)？医院：什么是CT？什么是PET？什么是γ刀？海关、机场、火车站：对货物、行李的检测是怎样进行的？工业：煤灰分仪、料位计、核子称，辐射改性、育种5二.致电离辐射的种类致电离辐射的种类带电粒子辐射快电子重带电粒子直接致电离辐射间接致电离辐射非带电粒子辐射电磁辐射（X、γ）中子次级电子次级重带电粒子6三.弹性碰撞和非弹性碰撞弹性碰撞与非弹性碰撞内能项弹性碰撞（动能守恒）非弹性碰撞（动能不守恒）第一类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于基态的原子发生碰撞，使之激发或者电离。第二类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于激发态的原子发生碰撞，使之退激。7四.带电粒子在物质中的慢化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：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。辐射损失——带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。带电粒子与靶原子核的弹性碰撞。带电粒子与核外电子的弹性碰撞。其中电离损失和辐射损失是主要的。8(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力作用，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。电离损失9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。10(2)辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程辐射损失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。对于β粒子来说，辐射损失是其能量损失的重要方式。对于重带电粒子α来说，辐射损失的能量份额不大。11(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。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。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。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，这种原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。但对电子却是引起反散射的主要过程。12(4)带电粒子与核外电子的弹性碰撞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。因为是弹性碰撞，为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能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。13这四种相互作用：与核外电子的非弹性碰撞（电离、激发）与核外电子的弹性碰撞与原子核的非弹性碰撞（辐射损失）与原子核的弹性碰撞（核阻止）对于不同的：带电粒子种类能量靶物质元素其对带电粒子的贡献作用是不同的。这里，重点讨论重带电粒子、快电子与物质的相互作用。14√§6.1概论§6.2重带电粒子与物质的相互作用§6.3快电子与物质的相互作用§6.4γ射线与物质的相互作用§6.5中子与物质的相互作用15§6.2重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质相互作用的主要特点重带电粒子在物质中能量的损失规律粒子径迹的特征能量歧离和射程歧离在薄吸收体中的能量损失定比定律裂变碎片的特性16一.重带电粒子与物质相互作用的主要特点重带电粒子与物质相互作用的主要特点：重带电粒子均为荷正电的粒子。重带电粒子主要通过电离损失的方式来损失能量，使介质原子电离或者激发。重带电粒子在介质中的运动轨迹近似为直线。17二.重带电粒子在物质中能量的损失规律定义：能量损失率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”。18对重带电粒子来说，电离损失是主要的对重带电粒子，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。19Bethe公式Bethe公式

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。公式推导的简化条件：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)H，电离能：

13.598eV电子速度：

1.53×106m/s1MeV质子速度：

1.38×107m/s20Bethe,HansAlbrecht

[b.Strasbourg,France,July2,1906-2005]Bethe'sworkhaspermeatedmodernphysicsandastrophysics.Hisearlyworkonnuclearreactionsinthe1930sexplainedhowstarsproduceenergybynuclearfusion.In1947Bethewasamongtheseveralfoundersofquantumelectrodynamics.Allinall,heperformedtheoreticalworkinallthemajorbranchesofphysicsandoveraverylongworkinglifewasabletosynthesizehisownworkwiththatofothersinarticlesthatbecamestandardreferences.German-bornAmericanphysicist.Hewona1967NobelPrizeforresearchontheenergyproductionofstars.21碰撞参量：b入射粒子(M,Ze)被射入的物质22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Δt时间内，带电粒子传给电子的动量为：ΔP整个作用过程中，传给电子的总动量为：23在x方向，电子获得的动量为：24令：则：25碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参量为b时，单个电子所得的动能为碰撞参数为b的电子数为：（N：原子数密度；Z：原子序数）在dx距离内,碰撞参量为b的电子得到的总动能为：26bmax和bmin该如何取值呢？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：bmax→∞?bmin→0?“”27易知，bmin

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2m0v2

，根据：28bmax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I

的能量。根据：29对：代入bmax和bmin，可得到电离能量损失率为：只是：Bethe按量子理论推导出的公式(非相对论)也可如此表示此公式由经典角度导出30考虑相对论与其它修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Bloch公式：入射粒子电荷数入射粒子速度靶物质单位体积的原子数m0为电子静止质量其中：靶物质原子的原子序数靶物质平均等效电离电位相对论项壳层项：当入射粒子的速度小于内层电子的速度时起作用31Bethe公式的讨论(2)Sion∝z2，与带电粒子的电荷

z

为2次方的关系；(1)Sion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)

Sion与带电粒子的速度

v

的关系：(4)Sion∝NZ，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：重离子治癌，质子刀，“大部分的能量沉积在病灶”32电离能量损失率随粒子的值的变化33三.粒子径迹的特征重带电粒子在物质中径迹的特征是什么？具有相同速度的质子和α粒子在水中的计算径迹片断）

δ射线：是指带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的电子具有足够的能量而可引起进一步电离的电子。比电离(specificIonization)：是指带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数。基本是直线质子、α粗细有别有分叉？能量提高，会变细？课堂即使作业34带电粒子在射入某个物质时，可以与物质发生四种类型的作用，分别是（）？虽然从微观上看，带电粒子与物质发生的每次相互作用的效果是（）的，但是从宏观上看，我们可以认为带电粒子在进入介质中之后，一定和介质发生了相互作用35粒子的射程定义：射程(Range)带电粒子沿入射方向所行经的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。路程>射程入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程。定义：路程(path)重带电粒子由于质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。路程≈射程平均射程外推射程36若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：非相对论情况：37α粒子在空气中的射程在15C和760mmHg压力下粒子在空气中的射程—能量关系曲线Eα为粒子能量，单位为MeV。公式适用范围：3～7MeV38同一吸收物质中不同重带电粒子的射程之间的关系定比定律入射粒子的属性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。射程与入射粒子质量（惯性）成正比与电荷量的平方成反比。39由计算得到的各种带电粒子在硅中的射程—能量关系曲线具有同样速度的质子、氘核、氚核、α粒子，它们的射程之间有什么关系？40Bragg曲线带电粒子的能量损失率（或称“比能损失”）沿其径迹的变化曲线称作Bragg曲线。射程歧离，能量歧离41应用：重离子治疗42阻止时间阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。对非相对论粒子(质量M，动能E)：43取k＝0.6单位：u单位：MeV单位：米单位：秒44四.能量歧离和射程歧离能量歧离(EnergyStraggling)：

单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的（对一组粒子而言），而发生了能量的离散。能量的损失过程是随机的。射程歧离(RangeStraggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的。45五.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：假设薄吸收体的比能损失变化很小46六.定比定律如果没有某种“粒子——吸收体”组合的比能损失，该怎么求粒子在其中的射程？Bragg－Kleemanrule:化合物的原子密度化合物中的能量损失率化合物第i种原子的份额化合物第i种原子的密度第i种元素中的能量损失率化合物中的射程化合物的分子量化合物中第i种元素的原子数化合物中第i种元素的原子量化合物中第i种元素中的射程假设不同原子的阻止本领是可相加的。假设dE/dx曲线的形状与阻止介质无关，则：47A为相应物质的原子量；为相应物质的密度。若无法得到物质中所有元素的射程数据则：多种元素组成的物质的原子量怎么计算？为了使估算准确，A1和A0应该尽可能接近48对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为例如，对空气：已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其它物质中的射程：化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数练习一下：4MeV的α粒子在空气中射程是多少?在Si中的射程又是多少?(ρSi=2.33g/cm3)49七.裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的重带电粒子：综合考虑：裂变碎片的能量损失率很大，射程很短，约为5MeVα粒子的一半。252Cf→142Ba+106Mo+4n电荷量大(56,42)不断地俘获电子，z持续降低，能量损失率不断减小。质量大能量高50√§6.1概论§6.2重带电粒子与物质的相互作用§6.3快电子与物质的相互作用§6.4γ射线与物质的相互作用§6.5中子与物质的相互作用51§6.3快电子与物质的相互作用快电子的能量损失率电子的吸收、散射和β射线的射程正电子与物质的相互作用52快电子与物质相互作用的特点快电子的速度大重带电粒子相对速度小快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略重带电粒子主要通过电离损失而损失能量快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线53Monte-Carlo模拟：1MeV电子在Al和Au中的径迹2.5mm2.5mm1MeVe-1MeVe-1个电子10个电子104个电子1个电子10个电子104个电子电子在Al中的径迹电子在Au中的径迹54Monte-Carlo模拟：10MeV电子在Al和Au中的轨迹10个10MeV电子入射Al29.5mm2.5mmAu10MeVe-10MeVe-55Monte-Carlo模拟：10MeV电子在Al和Au中的轨迹10000个10MeV电子入射Al29.5mm2.5mmAu10MeVe-10MeVe-56一.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：57辐射能量损失辐射能量损失：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(bremsstrahlung)。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：吸收物质的原子序数和单位体积的原子数入射粒子的电荷、能量及质量58关于辐射能量损失的几点讨论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。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。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。59电子的辐射能量损失率对电子，其辐射能量损失率为：电子的两种能量损失率之比：E：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。60示例：高能电子加速器9MeVX射线复合靶的结构9MeV电子加速器产生的X射线能谱9MeVX射线能谱的角分布61二.电子的吸收、散射和β射线的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。62电子的吸收规律由于单能电子和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63单能电子的射程对单能电子，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：g/cm264单能电子射程的经验公式Rm(mg/cm2)与E(MeV)之间的关系：65β粒子的吸收与射程当吸收介质的厚度远小于Rβmax时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：t为吸收体的厚度tm

为吸收体的质量厚度为吸收体的吸收系数m为吸收体的质量吸收系数铝的质量吸收系数：与β粒子的最大能量有关66m184W的β射线（Emax=0.43MeV）在不同物质中的透射曲线不同最大能量的β粒子在铝中的质量吸收系数67射线在铝中的射程（g/cm2）：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。68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。入射电子与核外电子的弹性碰撞只在能量很小(100eV)时才需要考虑。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69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：70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71三.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。但是在径迹末端的表现不同。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(annihilation)，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素(positronium)，即电子—正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。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。72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％。还可以发生单光子湮没，但是概率要更低～4个量级。从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能近似为零，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、负电子的总动量近似为零，则湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：73两个湮没光子的能量相同，方向相反，且各向同性PairAnnihilationElectron511keV511keVPositron多普勒效应→偏离180º74正电子在材料中发生湮没的概率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=10-7s75应用：PET(PositronEmissionTomography)11C T1/2=20.3分钟15O T1/2=2.03分钟18F T1/2=109.8分钟75Br T1/2=98.0分钟AcoloredPositronEmissionTomography(PET)brainscansofaschizophrenicwhilespeakingversusnormalpatientwhilespeaking76应用：PIPA(PhotonInducedPositronAnalysis)技术77小结——带电粒子与物质的相互作用78HeavyChargedParticleInteractionsInteractionCharacteristics: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79ElectronsandPositronsInteractionsInteractionCharacteristics: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80√§6.1概论§6.2重带电粒子与物质的相互作用§6.3快电子与物质的相互作用§6.4γ射线与物质的相互作用§6.5中子与物质的相互作用81探测学中、X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γ和X射线的实质是一样的，自然，它们与物质发生相互作用的规律也是一样的。我们以下只讨论γ82γ射线与物质相互作用的特点当一个光子射向某个物体时：它可能与物质发生作用，也可能不发生作用。一旦发生作用，则：光子消失→单次性、随机性或者变成低能量的光子（康普顿散射光子、湮没光子）在此过程中形成了次级电子光电子康普顿反冲电子正负电子对通过测量次级电子的能量，可以实现对光子的探测电子通过电离效应损失能量那么轫致辐射起什么作用呢？83γ射线可以和物质发生多种相互作用：光核反应，汤姆逊散射，瑞利散射，拉曼散射，光电效应，康普顿散射，电子对效应。对于不同能量的γ射线，这些相互作用的截面大小是不同的。对于我们感兴趣的keV～数十MeV的γ射线，最主要的三种反应类型是：光电效应，光电吸收(Photoelectriceffect,absorption)康普顿散射(Comptonscattering)电子对效应(Pairproduction)γ射线与物质的三种相互作用γ射线与物质相互作用的反应截面可以表示为：84光电效应康普顿散射电子对效应其它相互作用物质对γ射线的吸收85一.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。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。光电效应：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。86光电子的能量由能量守恒：因此，光电子能量为：自由电子不能发生光电效应：87光电截面光电截面：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

入射光子与内层电子发生光电效应的几率较大88对：，即非相对论情况

对：，即相对论情况

对hν<100keV的γ光子，截面与吸收限有关，在吸收限εK、εL处出现阶跃。，经典电子散射截面，又称Thomson截面。

89一些物质的光电吸收截面曲线吸收限：absorptionedge90H原子的光电反应截面91光电效应截面小结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。(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)5次方！92光电子的角分布光电子的角分布：表示进入平均角度为方向的单位立体角内的光电子数的比例。θ：相对于入射光子方向的角度。+++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。93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入射光子能量较高时，光电子趋于向前发射。94二.康普顿散射康普顿散射：康普顿散射是射线(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。康普顿效应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上，可认为是：“自由”电子，电离能很小。“静止”电子：轨道电子速度远小于光速。入射光子h原子核反冲电子散射光子hEe1923年，美国物理学家康普顿在研究X射线与物质散射的实验里，发现了康普顿散射。951.)散射光子、反冲电子的能量－角度关系未知数：h

，Ee，，。根据能量守恒：根据动量守恒：入射光子h原子核反冲电子散射光子hEe96联立得到康普顿移动：解得：972.)几点讨论(a)散射光子和反冲电子的能量是连续的。

大，Ee大，h小；

小，Ee小，h大。(b)几种特殊情况：

=0，h=h；

=，h=(h)min；

大于150以后，

h200keV，形成反散射峰。98当h>>m0c2时，Ee~h

。(d)当h<<m0c2时，h~h，汤姆逊散射(c)散射角与反冲角存在一一对应的关系。993.)康普顿散射截面和角分布微分截面：角分布：Klein-Nishina公式：100康普顿散射总截面：整个原子的康普顿散射总截面其中，经典电子半径当h<<m0c2时，汤姆逊散射截面101当h>>m0c2时，1024.）反冲电子角分布和能量分布由反冲电子能量和方向与散射光子能量和方向的一一对应关系，可以得到：由此得到反冲电子微分截面与散射光子微分截面的关系：可以由散射光子微分截面求得反冲电子微分截面。103反冲电子能量分布与入射光子能量h相差~200keV。康普顿边缘：康普顿坪：连续分布。在考虑原子外电子（非自由电子）的结合能时，康普顿边缘将不再锐利（Knoll,Fig.13.9）104三.电子对效应电子对效应：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负电子的过程。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。在电子的库仑场中也可以发生，但是要求入射光子的能量更高电子效应产生的电子既非来自原子核，也非来自轨道电子，而是由入射的γ(X)射线转化而来。1051)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，取值范围为负电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。2)正负电子的运动方向106当：时：3)电子对效应的截面电子对效应截面随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：回顾一下光电效应和康普顿散射的截面与γ射线能量的关系1074)电子对效应的后续过程——正电子湮没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：对于射入探测器的γ，发生电子对效应之后，正电子湮没放出的两个511keV可能会有一个（也可能两个都）射出探测器，使得γ射线在探测器中沉积的能量减小，形成所谓的单（双）逃逸峰。108三种反应的小结低能、高Z，光电效应占优势；光电效应康普顿散射电子对效应高能、高Z，电子对效应占优势；中能、低Z，康普顿散射占优势。109三种效应分别在不同情况下占优110铅的四种反应截面曲线K吸收限L吸收限111四.其它作用过程(1)汤姆逊散射(Thomsonscattering)——当入射电磁波射向自由电子时，其电矢量使得电子震荡，震荡的电子发射与入射波相同频率的辐射。由于入射γ光子的能量可以认为>>原子中电子的结合能，因此将其看为自由、静止是合理的。对于能量较低的康普顿散射，其截面将趋向于汤姆逊散射截面112(2)相干散射(coherentscattering)——也叫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（原子质量>>电子质量）。它是弹性散射，而康普顿散射是非弹性散射。康普顿散射也被称非相干散射(incoherentscattering)相干散射不会在探测器中形成信号，但是它对光子在介质中的输运规律是具有影响的。相干散射在低能、对高Z物质时是重要的。113五.物质对射线的吸收1.能量怎样改变？2.强度改变吗？3.存在射程吗？降低降低不变不变减弱减弱存在存在最大射程不存在，“平均自由程”αβγ在粒子的入射过程中，随着径迹：1141.)窄束射线通过物质时的衰减一束准直射线，初始强度I0，在厚度t处经过dt时强度变化：利用初始条件：t=0时，解得1152.)衰减系数线性衰减系数：质量衰减系数：问题：水、冰、雪、水蒸汽对γ衰减的异同是什么？同一物质不同物理状态，线性衰减系数不同，质量衰减系数相同1163.)半衰减厚度和平均自由程半衰减厚度：射线在物质中强度减弱一半时的厚度可以用半吸收厚度表示指数衰减规律：平均自由程：117示例例题：铅对137Cs的0.662MeV和60Co的1.33MeV的γ射线的反应截面分别为：已知：铅的密度为11.4g/cm3，求这两种γ光子在铅中的线性衰减系数，质量衰减系数，半衰减厚度和平均自由程。解：注意：这里没有考虑铅的相干散射，实际上是需要考虑的！1183cmFe4MeVγBGOBi4Ge3O12铅锥准直束扇形束扇形束+铅锥1194.)宽束条件下的吸收规律宽束条件下的衰减规律平行窄束：准直后的平行射线束，探测器记录直射光子。宽束：直射光子＋散射光子。累积因子B与入射能量E和探测器的类型有关；还与测量时的几何条件有关。累积因子120§6.1概论§6.2重带电粒子与物质的相互作用§6.3快电子与物质的相互作用§6.4γ射线与物质的相互作用§6.5中子与物质的相互作用√121中子的性质质量：mn=1.008665u=939.565300MeV/c2比质子质量略大：mp=938.2769MeV/c2电荷：0，中性粒子自旋：sn＝1/2,费米子磁矩：n＝-1.913042N中子寿命：半衰期T1/2=10.60min自由中子是不稳定的，会发生－衰变中子≠质子+电子中子→质子+电子+中微子122中子的分类慢中子：中能中子：快中子：热中子冷中子甚冷中子超冷中子超热中子特快中子：123中子主要通过核反应或弹性散射产生重带电粒子来进行测量：通过散射转移给核的动能很小测量中子与核发生反应的产物反应截面很大慢中子(En<1keV)与核发生相互作用：通过散射转移给核的动能可以较大测量反冲核来测量中子反应截面较小快中子(En>100keV)与核发生相互作用：124中子与物质的相互作用125四种反应机制四种反应机制势散射复合核直接作用中间过程1.势散射当中子靠近原子核时，由于中子波和原子核表面势垒的相互作用而被散射，这个过程被称作势散射。它不会引起核内部状态的改变，中子只是将它动能的一部分转移给了靶核，获得动能之后的靶核进行反冲，散射之后的中子也改变了动能和运动方向。在散射过程中，整个系统的动能守恒，因此势散射也被称为势弹性散射或者形状弹性散射。1262.复合核由于中子不受库仑力的作用，它很容易被原子核吸收而形成复合核。复合核存在的时间约为10-20s～10-16s，而中子直接穿过原子核的时间只要10-22s，所以可以认为复合核存在了很长的时间，它处于准定态。在形成复合核的过程中，中子的一部分动能成为复合核的动能，另一部分动能和中子的结合能转化为复合核的激发能Ec，这使得复合核处于激发态。复合核从激发态衰变的过程有以下6种：1.）共振弹性散射2.）非弹性散射3.）放出带电粒子的反应4.）辐射俘获5.）发射多粒子反应6.）裂变1273.直接作用直接作用是指不经过任何中间态的核反应。它的反应时间约为10-22s，和中子直接穿过原子核的时间相仿。由于与原子核的作用时间很短，因此入射粒子仅仅来得及和靶核内的少数核子发生作用。常见的由中子引起的直接反应有以下5种：1.）拾取反应中子与靶核发生作用时，从靶核中拾取一个或几个核子并向外飞出的反应叫拾取反应，如(n，d)反应。2.）直接非弹性散射中子与靶核作用时，把部分能量直接交给靶核，使其被激发，而中子自己继续飞行的反应叫直接非弹性散射。3.）敲出反应中子把部分能量直接交给靶核内的一个或几个粒子，使其从靶核中飞出而自己被吸收的反应叫敲出反应，如(n，p)反应。4.）电荷交换反应中子与靶核作用时，不交换粒子而只交换电荷的反应叫电荷交换反应，如(n，p)反应。5.）直接俘获入射中子在靶核势阱上散射，被俘获到某一单粒子态，同时放出γ射线的作用叫直接俘获(n,γ)。1284.中间过程中子与靶核发生反应时，在直接作用和复核之间还存在着一个中间过程，这是中子与靶核形成的复合系统在达到统计平衡之前的状态，此时它仍可以发射粒子。129不同的反应产物弹性散射(n，n)势弹性散射和共振弹性散射。系统的动能和剩核的能级状态都不发生变化。非弹性散射(n，n`)复核的非弹性散射和直接作用的直接非弹性散射。系统的动能减小，同时剩核处于激发能级。剩核在退激的时候，发出γ光子。130辐射俘获(n,γ)复核的辐射俘获和直接作用的直接俘获。系统的部分动能和中子结合能转化为γ光子的能量，剩核发出γ光子之后，从激发态跃迁到基态。辐射俘获γ的最大能量为：其中En为入射中子的动能，Bn为中子与靶核的结合能。当入射中子的能量不同时，辐射俘获放出γ光子的能量也不相同。但是当中子处于慢中子和热中子能区的时候，由于很