射线与物质的相互作用节

射线与物质的相互作用α粒子及重粒子束与物质的相互作用β射线与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用中子与物质的相互作用第1页/共14页α粒子及重粒子束与物质的相互作用

α粒子及重粒子束与物质作用的主要过程α粒子及重粒子束在物质中的能量损失α粒子及重粒子束在物质中的比电离α粒子及重粒子束在物质中的射程第2页/共14页Ionization(电离)

具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离。在电离过程产生的某些自由电子，具有足够的动能，能进一步引起物质电离和激发，这些电子称为次级电子或电子。由带电粒子与轨道电子作用产生的电离，称为直接电离（式初级电离），由次级电子引起的电离称为间接电离（或次级电离），直接电离和间接电离合在一起称为总电离

α粒子与物质作用的主要过程第3页/共14页α粒子与物质作用的主要过程

具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的。跃迁到高能级的电子将自发地跃迁到低能级而使处于激发态的原子退激，激发能（等于电子跃迁前后两能级的能量差）将以X射线的形式放出，称为标识X射线或特征X射线。该激发能也可传递给核外电子，使该电子获得足够的动能，逃离原子核的束缚而成为一个自由电子（俄歇电子），这种过程称为俄歇效应。Excitation（

激发）第4页/共14页质量碰撞阻止本领结论：能量损失率与入射粒子的速度的平方成反比，说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用时间有关，速度越小，作用时间越长，传递给轨道电子的能量越多；带电粒子在停下来以前的某一段路程上的能量损失将达到最大值。而与其质量无关；（由于mparticle>>me，重带电粒子受到的反冲可忽略；入射粒子的能量越小，单位径迹上的能量损失率越大）。第5页/共14页质量碰撞阻止本领能量损失率与带电粒子电荷数的平方成正比。说明带电粒子的电荷越大，与轨道电子的库伦作用越强，因此传递给轨道电子的能量越多；（同样能量的粒子与质子通过同一物质时，粒子的能量损失率要比质子大4倍。因此，在物质中的穿透能力弱）。第6页/共14页质量碰撞阻止本领能量损失率与吸收物质的电子密度和原子序数成正比；（带电粒子在液体、固体中的能量损失率比在气体中的大，在高原子序数的物质中的能量损失率比低原子序数的物质中的大）。第7页/共14页带电粒子在物质中的比电离带电粒子通过物质时，以不同的方式损失能量，引起物质的电离。直接电离：由带电粒子直接作用产生的电离；间接电离：由直接电离产生的射线引起的电离。比电离：单位径迹长度上产生的离子对数。比电离又称为电离密度。气体中每产生一对离子所消耗的平均能量第8页/共14页比电离

离子和质子在空气中的相对比电离在比电离曲线中，随着剩余射程的减少，比电离逐渐增加，在剩余射程的末端达到最大值。出现在带电粒子射程末端的比电离峰称为Bragg峰，比电离曲线又称为Bragg曲线。质子束射程末端的高比电离效应已经被用于治疗癌症。第9页/共14页带电粒子在物质中的射程包括粒子在内的带电粒子，通过与物质的不断相互作用，耗尽其能量后而停留于物质中，称为被物质吸收。带电粒子在某种物质中沿入射方向从进入到被物质吸收所经历的最大直线距离——带电粒子在该物质中的射程。射程的大小与粒子的类型、初始能量及吸收物质的性质有关。第10页/共14页射线与物质的相互作用β射线是由原子核转变过程中放射出来的具有连续谱的快速电子流。与α粒子相比，与物质相互作用过程虽然相似，但在具体的作用过程中，由于其质量小而具有其特点。例如与轨道电子的非弹性散射，每次碰撞的能量损失比α粒子小，而且运动方向将发生很大的改变。在与原子核的库仑场发生非弹性散射时，产生韧致辐射，其能量损失可以与电离能量损失相当。电离损失和辐射损失是β射线与物质相互作用过程中能量损失的主要形式。第11页/共14页辐射损失轫致辐射当高速运动的带电粒子从原子核的库仑场附近掠过时，它将受到原子核库仑场的作用而产生加速度，包括速度的降低和方向的改变，其部分或全部能量，将转变为连续谱的电磁辐射，这就是轫致辐射。以这种形式的能量损失，称为辐射损失第12页/共14页韧致辐射（bremsstrahlung）以韧致辐射形势造成的能量损失称为辐射损失。物质的原子序数带电粒子的电荷带电粒子的质量第13页/共14页射线在物质中的吸收和射程淹灭反应进入物质中的粒子，通过电离损失和辐射损失等过程耗尽其能量后，停留于物质中，称之为被物质所吸收。β+粒子最终与介质中的电子发生淹灭反应，释放出两个能量相等，方向相反的光子b射线由具有连续谱的电子组成。不同能量的电子在