射线与物质的相互作用

第五章射线与物质的相互作用

本章所提的射线不仅包括放射性核素衰变过程中产生的带电粒子、不带电粒子或由二者混合形成的任何电离辐射，也包括由射线装置产生的电离辐射。

射线与受照射物质相互作用时，不仅射线能量不断损耗，而且强度也不断降低，甚至还会引起受照射物质原子核的核反应。这些现象对于射线探测、射线特性研究、射线应用及辐射防护等具有十分重要的意义。根据实际应用情况，这里着重讨论α射线、β射线、γ射线及中子与物质的相互作用。§5.1α射线与物质的相互作用1．α粒子与核外电子的作用引起电离或激发。电离能量损失率为式中：z

为α粒子的电荷（2-1）m0、e为电子静止质量和电荷；

N

为1cm3

体积吸收物质包含的原子数；

Z为吸收物质原子序数；

υ

是入射α粒子的速度；

β＝υ/c，c是光速；

I

为吸收物质原子的平均电离电位；

E

为入射α粒子的平均动能；

α粒子电离能量损失，与粒子本身的质量无关，但与吸收物质的密度和原子序数Z成正比，与它的电荷数的平方成正比，与速度的平方成反比，能量越低，损失越大。2．α粒子与原子核的作用

α粒子通过物质时，可能与原子核发生库仑作用而改变运动方向，即卢瑟福散射，还可能进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，即产生一新核并放出一个或几个粒子，属于核反应过程。例如用210Po放出的α粒子打击9Be制成的靶，产生12C和中子，这一过程可写成核反应式：或简单写成：3．α粒子的吸收与射程粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为吸收。带电粒子从进入物质到完全被吸收，在其原来的运动方向上穿过的最大距离，称为某带电粒子在该物质中的射程。α粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲。对于一束单能的α粒子，它们在物质中的射程几乎相同。图2-1α粒子在核乳胶中的径迹

不同α粒子在空气、生物阻织和铝中的射程已由实验测出，其结果列于表2-1。表2-1α粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程Eα/MeV4.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.010.0空气/cm生物组织/μm铝/μm2.531163.037203.543234.049264.656305.264345.972386.681437.491488.1100538.91105810.613069

能量范围在4～8MeV之间的α粒子在空气中的射程与能量关系的经验公式为（2-2）式中：R为平均射程，单位取cm；Eα为α粒子能量，单位MeV。

在其他物质中α粒子射程可由布拉格－克利曼（Bragg-Kleeman）公式计算，即（2-3）式中：Ri为α粒子在i吸收物质中的平均射程；ρi为i吸收物质的密度；Ai是i吸收物质原子质量数；R是空气中α粒子的平均射程。§5.2β射线与物质的相互作用1．β粒子引起的电离和激发

图2-2电子与原子的弹性碰撞与非弹性碰撞示意图（a）弹性碰撞（b）非弹性碰撞

电子在某物质中通过单位长度路径时，由于电离和激发而引起的能量损失称为电离能量损失率，用

由原入射电子产生的电离称为直接电离。在直接电离中产生的电子叫做次级电子，如果次级电子具有足够高的能量，它还能引起其他原子产生电离，称为次级电离。表示（COL代表碰撞），根据贝特（Bether）公式，电子的电离能量损失率具体可以表示为式中：m0、e为电子静止质量和电荷；

N

为1cm3

体积吸收物质包含的原子数；

Z为吸收物质原子序数；

υ

是入射电子的速度；

β＝υ/c，c是光速；

I

为吸收物质原子的平均电离电位；

E

为入射电子的平均动能；

显然，电子的电离能量损失率除依赖于入射电子的能量外，还与吸收物质的密度ρ和原子序数Z成正比。（2-4）2．韧致辐射当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射，这就是韧致辐射，又称韧致X射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到电子的最大动能。电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射而损失的能量称为辐射能量损失率，用表示，贝特（Bether）给出的具体表达式为

由于辐射能量损失率与吸收物质原子序数Z的平方成正比，这表明高能电子射到重元素上更容易产生韧致辐射。辐射能量损失率还与入射粒子质量的平方成反比，这一点使得只有电子才是韧致辐射的有意义的来源，对于其他重粒子，由于质量很大，韧致辐射可以忽略。（2-5）其中各物理量的意义与前式相同。

在电子能量很大时，它的能量损失主要是韧致辐射损失，能量较小时，仍以电离损失为主。电子的辐射损失和电离损失之比大致是（2-6）物质空气水铝铅电子能量（MeV）1501506010当时对应的电子能量为Ecri几种不同物质的Ecri

表明：空气、水等轻原子材料中，当电子能量远小于150MeV时，以碰撞损失为主。在大于150MeV时，辐射损失占优势。铅的Ecri数值很小，说明很容易发生轫致辐射。为物质的线阻止本领。对应于线阻止本领，还有质量阻止本领，表示入射电子在通过单位质量厚度(1g∙cm-2)某物质时的能量损失，记作其中，ρ为吸收物质的密度。如果从吸收物质的角度来命名，可定义3．β粒子的吸收和射程

β粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为吸收。

β粒子的路径是弯弯曲曲的，而α粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲；β粒子通过物质时的吸收成指数函数规律衰减，即使对于初始能量完全相同的电子在吸收物质中也没有固定的射程。

图2-3β粒子在核乳胶中的径迹

射程和路径的概念并不一样。一般来说路径的长度是它射程的1.2～4倍。实验证明，当β粒子能量大于1MeV时，射程和能量的关系基本上是线性的。能量为4MeV的电子在空气中的射程达15m。β射线在物质中的射程用质量厚度来表示，单位是g∙cm-2。图2-1α粒子在核乳胶中的径迹

在电子能量处于0.5～6MeV情况下，β粒子的吸收关系可近似用指数函数来表示，即式中：I0表示进入吸收物质前的β射线强度，I是穿过xcm厚度吸收物质后的β射线强度，μ为吸收物质对β粒子的线性吸收系数，单位是cm-1。（2-7）

在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度g∙cm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以μm表示，其单位是cm2/g，上式就改写为式中：xm表示吸收物质的质量厚度，ρ为物质密度。（2-8）质量吸收系数μm与β粒子最大能量的经验公式为

将单向粒子流的辐射量或强度减少到初始值一半时的减弱层厚度称为半厚度，也称半值厚度或半值层，以d1/2表示，是辐射防护领域常用的术语。对于指数衰变系统，存在（2-9）（2-10）

如果将μ以μm替换，则d1/2变换为（dm）1/2，称为半吸收厚度，是β粒子束强度减弱一半时所需要的吸收物质质量厚度。一些常用公式如下：（2-12）（2-11）4．切伦科夫辐射

高速带电粒子（如β粒子）通过折光系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度，此时带电粒子的能量将有一部分以可见光或接近可见光的形式释放出来，这种现象于1934年首先为前苏联科学家切伦科夫（Л.Л.черековн）发现，故称切伦科夫辐射。5．湮没辐射

一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可能转化为γ辐射，称湮没辐射。例如一个β+粒子与一个负电子碰撞，产生两个（或三个，但几率很小）能量为0.511MeV的γ光子。实验证明，大部分正电子是在低能时湮没的。X射线与γ射线都是电磁波，两者没有本质差别，只是产生的方式和波长不同。

γ射线是激发态原子核退激或正负电子对湮灭的产物，而X射线是原子的壳层电子由外层向内层空位跃迁或快速电子与原子核外电子库仑场作用的产物。一般说来，γ射线波长比X射线波长更短。γ射线是高能量的光子，称为光量子，其能量用hv表示，h是普朗克常数，v是电磁波的频率。§5.3Χ、γ射线与物质的相互作用1．γ射线与物质相互作用机理γ光子与物质原子相互作用主要有三种方式，如图所示。图2-4γ光子与物质原子相互作用（1）光电效应能量为Eγ的入射γ光子把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，成为光电子，光子本身消失。发射光电子的动能Ee为（2-13)Bi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。（2）康普顿效应

γ光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，γ光子被散射，改变了原来的能量和运动方向，这就是康普顿效应。反冲电子的动能为（2-14）式中：m0c2为电子静止能量，约为0.5MeV；角度θ是散射光子的散射角。当θ＝1800时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时（2-15）

这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。（3）电子对效应当γ光子能量大于2m0c2时，γ光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，即（2-16)

综上所述，γ光子与物质发生作用时，能量较低时以光电效应为主，如果γ射线能量接近1MeV，康普顿效应将占主导地位，而当γ射线能量超过1.02MeV时，就有可能产生电子对效应。一个重要的结论2．窄束γ射线的吸收准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能的窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。γ射线强度的衰减服从指数规律，即（2-17）其中I0和I分别是穿过吸收物质前、后的γ射线强度，x是γ射线穿过吸收物质的厚度（单位为㎝），μ是吸收物质的线性吸收系数。

在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度gּcm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以μm表示，其单位是cm2/g，上式就改写为式中：xm表示吸收物质的质量厚度，ρ为物质密度。（2-18）μ的大小反映了吸收物质吸收γ射线能力的大小。μ是吸收物质的原子序数Z和γ射线能量的函数，但关系复杂。图2-5铅、锡、铜、铝对γ射线的吸收系数和能量的关系图2-6lnn－xm曲线

在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该时刻的γ射线强度I成正比，所以（2-18）式也可以表示为两边同时取对数，得

有时，物质对γ射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的γ射线强度减弱到一半时的吸收物质的质量厚度，记作（dm）1/2，在量值上为

（2-21）图2-7宽束γ射线的衰减1－γ放射源；2－吸收物质；3－探测器；4－散射线束；5－非散射线束3．宽束γ射线的吸收

由图中可以看出，不仅初级γ光子被探测器记录，而且经过吸收物质散射的光子也有一部分被记录，因此，宽束条件下的γ射线衰减规律变为其中B

称为γ射线通过物质时的积累因子。由于I包括了初级光子及散射光子，所以B的值始终大于1。

B的大小反映了散射光子的相对贡献，与多种因素有关，包括放射源形状、吸收物质的原子序数、吸收厚度等。（2-22）§2.4中子与物质的相互作用1．弹性散射当中子能量不高时，弹性散射是中子与一些轻核物质作用的主要方式。弹性散射可以看成是中子与原子核发生弹性碰撞的结果。在弹性碰撞中，中子动能的一部分或全部交给靶核，变为靶核动能。散射中子的动能为（2-22）其中A是靶核的质量数。当θ＝0o时，E=E0，中子能量没有损失；而当θ＝180o时，即中子与靶核发生正碰，存在（2-23）此时中子损失能量最大。在正碰情况下：对氢原子核，A=1，E=0，中子损失全部动能。对石墨原子核，A=12，中子的动能损失不超过28.4%。对A=200的原子核，中子最大能量损失不超过22%。

因此，在中子慢化时，用低原子序数物质比用重元素作慢化剂更有效。

中子与核发生弹性碰撞以后，受撞的靶核得到能量并从与中子入射方向成φ角方向反冲，同样反冲核的能量E′也可根据能量和动量守恒原理计算得到，即（2-24）2．非弹性散射中子能量大于0.5MeV时，还可能与靶核发生非弹性碰撞，这时中子动能的一部分转化为