[经济学]第1章 电离辐射与物质相互作用.ppt

第一章、电离辐射与物质相互作用,哈尔滨工程大学核学院,第一节 带电粒子与物质相互作用,一、射线与物质的相互作用,射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。 1.辐射的分类 （1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、粒子等。亦可称为直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。 （2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（射线和X射线）和中子等。亦可称为间接致电离辐射，X/射线或中子通过物质时，可能会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物质。 X/射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。,中子的世界,在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。 中子有多大的可能性和原子核发生反应？,微观截面 Microscopic Cross section,设有强度为I （# / cm2 s ）的单能中子束平行入射到一薄靶上， 该薄靶厚度为 x，靶的核密度为N。,平行中子束经过薄靶后强度的变化量I正比于入射中子束的强度I、靶的厚度x及靶的核密度N.,微观截面 Microscopic cross section,微观截面表征了一个中子 和一个原子核相互作用 （发生核反应）的概率 大小。,微观截面 Microscopic cross section,每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。,微观截面工程中常用的单位：靶恩 (barn) ，1靶=10-24cm2,中子束入射到厚靶上 Neutron beam incident on a thick target,未经碰撞的中子束强度的衰减规律,在x处dx间隔内单位面积 上发生反应的中子数为,宏观截面 Macroscopic cross section,N为单位体积内原子核的数目。where N is the number density of the target nuclei in units cm-3,未经碰撞的中子束强度的衰减规律,方程：,给定边界条件下的解：,宏观截面的物理解释,表征了一个中子和单位体积内所有的原子核发生反应的概率大小。 为一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小。,2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。 （1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。 （2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变化。当带电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量损失。,（3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞 带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子散射严重的主要因素。 （4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞 带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev）的电子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。,3.带电粒子在物质中的能量损失 带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分路径dx，即： 也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。 根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成，故有： 对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。,3.带电粒子在物质中的能量损失 将具有一定能量的质子、氘核、粒子和介子等重带电粒子称为快重带电粒子，将所有z2并失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。 在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损失Sion相当。 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时，二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份额很小，但这会引起严重的散射。,二、重带电粒子与物质的相互作用,在我们感兴趣的能量范围内（大约0.1Mev到20Mev）的重带电粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变化；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞（卢瑟福散射）；（4）核反应。 造成能量损失的主要机制是电离和激发，即电离能量损失。但是离子的种类不同，相互作用的方式有所差别。,1. 能量损失率 在考虑相对论的情况下，从理论上推出：,1. 能量损失率 关于上式的几个结论： （1）电离能量损失率与重带电粒子电荷数z2成正比。如和质子的速度相等，物质对粒子的阻止本领是对质子的4倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，穿透力越差。 （2）电离能量损失率与入射粒子速度v有关，而与质量无关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。因此，只要两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电荷数，那么他们的能量损失率就相等。 （3）电离能量损失率与物质的电子密度NZ成正比。N表示单位体积内靶物质的原子数，Z是其原子序数，则单位体积内的电子数是NZ。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对粒子的阻止本领越强。,（4）电离能量损失率与入射粒子的能量有关。 4Em0/M2m0v2,1. 能量损失率,2. 比电离 带电粒子穿过物质时，通过电离和激发产生许多电子离子对，把单位距离上产生的平均离子对数称作比电离。 3. 射程 带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留在物质中。它沿初始运动方向所行进的最大距离称作入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经的实际轨迹长度称作路程。 重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导致其运动方向有大的改变，其轨迹几乎是直线，射程基本等于路程。,3. 射程 能量为E0的带电粒子的射程R可以表示为： 一般用实验测定。 可以看出粒子的计数率n从开始下降到降为零这段距离内被全部吸收，把计数率下降为一半的透射距离定义为粒子的平均射程R0. 对曲线a求导得到曲线b，称为微分曲线，代表单位路程上的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程R0。微分曲线分布的宽度表示射程的涨落，表明相同能量的粒子在同一物质中的射程并不完全相同，这种涨落称为射程岐离。 粒子在空气中的射程数据总结出了半经验公式：,4. 能量岐离 上面说到了射程岐离，产生此现象的根本原因是重带电粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的能量，都是一个随机量，同样此原因导致了能量岐离现象的出现。 可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶后，在不同深度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越小，而能量分布越宽，岐离越严重。,三、电子与物质的相互作用,快速电子包括射线（正电子和电子）和单能电子束。由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以与物质的相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大的差异。 快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐射）；（4）正电子或负电子的湮灭。 虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部的能量，并显著改变自己的运动方向。,1. 电离损失 快电子的能量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在相同的能量情况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。 描述电离能量损失率的公式：,2. 辐射损失 带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁辐射。其能量损失称为辐射损失。 电磁辐射的强度应正比于z2Z2 NE /m2。对电子的辐射损失率公式： 可以看出几个结论： （1）辐射能量损失率与m2成反比。粒子质量越小，轫致辐射强度越大。 （2）辐射能量损失率与Z2成正比。电子打到高原子序数的材料时更易产生轫致辐射。用于产生X射线源。 （3）辐射能量损失率与粒子能量E成正比。,3. 能量损失 快速电子在物质中的能量损失率可表示为： 有公式可以看出：电子的能量低时，电离损失占有主要的地位；而电子能量较高时，辐射损失就会越来越占有重要作用。在相对论区，有：,4. 弹性散射 电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电子的能量变化很小，但方向变化很大，这就是弹性散射。 电子穿过物质时要先后受到许多次原子核的弹性散射作用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大于90，甚至可能是180，通常把大于90的散射称为反散射。 fb随反散射体厚度增加而增大，但厚度增加到一定程度后，fb达到饱和。,5. 电子的吸收 实验表明，对于不同的吸收介质，m随原子序数的增加而缓慢的上升，对于同一种介质，吸收系数m与粒子最大能量密切相关。对铝有如下经验公式：,6. 射线的射程 射线在低Z材料中的射程有如下经验公式， 当0.01E 2.5Mev时： 当E2.5Mev时： R0=0.530E-0.106 其中，射程R0用质量厚度表示，单位是gcm-2，E为粒子的最大能量，单位是Mev。,7. 正电子与物质的相互作用 正电子在通过物质时，与核外电子及原子核相互作用，损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐射损失。在吸收体中的径迹类似于负电子，其能量损失率及射程也与初始能量相等的负电子相同。 特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发生湮灭而消失，同时放出两个光子。两个湮灭光子能量均是0.511Mev，发生的方向相差180，即总动量是零。,四、其它形式的辐射,上述讨论了带电粒子穿过介质时的两种主要的能量损失方式电离损失和辐射损失，这也是能量低于20Mev的带电粒子与物质相互作用损失能量的主要过程。 对于高能带电粒子而言，除了上述过程外，还会引起切伦科夫辐射和穿越辐射。 切伦科夫辐射是快速带电粒子的速度大于光在介质中的速度而产生的。 穿越辐射是快速带电粒子从一种介质突然穿越到另一种具有不同光学特性（如不同介电常数）的介质时产生的辐射。 上述两种辐射的能量损失与电离损失相比占的比例很小，特别是低能的粒子，完全可以不考虑在能量损失之中，但是在高能物理中有很重要的意义。,第二节、光子与物质的相互作用,作用方式： 光电效应 康普顿效应 电子对效应 瑞利散射,第一节 光子与物质相互作用,1.光电效应 光子与原子的一个束缚电子相互作用，并将自身所有能量转移给此束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失。 T光电子的动能； h入射光子的能量； EB电子的束缚能。,光电子打出后，在其原来的壳层产生一个空穴，并且原子处于激发状态，这种激发状态不稳定，退激的过程有两种： 1）特征X射线（产额与Z有关） 2）俄歇电子 图1. 光电效应、特征X射线和俄歇电子的发射示意图,对于K壳层电子，发生光电效应的截面为： 其中，C1、C2为常数。可见， （1）原子序数Z越高越容易发生光电效应； （2）光子能量越高越不易发生光电效应。,光电子的角分布 在光电效应的试验中，光子入射方向（定为0o方向）和反方向上（定为180o方向）均未观察到光电子。 1）E很低时，光电子 趋于90o方向发射 2）E增加时，光电子 逐渐向前方向发射 图2. 不同E时的光电子角分布,2.康普顿散射 对于能量比较高的射线，能够忽略原子壳层电子的束缚能而将它们视为自由电子，光子可与这些自由电子发生非弹性碰撞，称为康普顿散射。 图3. 康普顿散射示意图,康普顿散射符合能量和动量守恒定律： 其中，是以电子的静止能量0.511MeV为单位的入射光子的能量，可知，当E很大时， （定值） 。,当=0o时 ；=180o时 Eemax即所谓的“康普顿边界”。 和存在如下关系： 康普顿散射截面：,可见，在光子能量很低时，康普顿散射截面与光子能量无关，仅与Z成正比，但当光子能量较高时，截面与Z成正比，近似地与光子能量成反比。 当入射光子能量增加时，康 普顿散射截面下降，但下降 速度比光电截面来得慢。 图4. 电子的康普顿散射截面与 入射光子能量的关系,虽然电子康普顿反应截面随入射光子能量升高而降低，但康普顿电子所得到的平均能量和这种能量占入射光子能量的份额fa是随E升高而不断增加的，因此可用康普顿散射截面和的fa乘积来表示“康普顿吸收截面”。 康普顿电子的角分布 当=0o变化到180o时， =90o变化到0o；康普顿电子的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。,3.电子对效应 当光子从原子核旁经过时，受核库仑场的作用，转化为一个正电子和一个负电子，而光子本身消失，此种过程称为电子对效应。 图5. 电子对效应示意图,光子的能量转化为正负电子对的总能量（动能加静止能量）： 所以要生成电子对，光子能量必须大于2m0c2=1.022MeV,剩余的能量（h-2m0c2）作为动能在正负电子间分配。 正电子的湮没 正电子经减速后就同负电子复合，并放出两个能量为0.511MeV的湮没光子。,在对能量较大（1.5MeV）的光子进行辐射测量时，湮没光子的产生会对测量结果造成一定影响： 湮没辐射峰 单、双逃逸峰 图6.使用NaI探测器测量24Na 射线 得到的脉冲幅度谱,电子对效应截面 1）能量较低时，p随E线性 增加，高能时， p与光子 能量的变化就缓慢一些； 2）无论高能低能，都有 关系。 图7. 电子对效应截面与E的关系,4.瑞利散射 即相干散射，是光子同束缚电子间的散射，散射过程中光子偏离原方向，但其能量基本上是不变的。 瑞利散射截面 R随E增加而急剧减少，E200keV时，这种散射不能忽略；在0o时，瑞利散射最强，一般在30o范围内，相干散射效应就大于非相干散射占主要地位。,光子的减弱： 光子在物质中的衰减，是上述多种相互作用的结果，因此总的减弱系数为： 由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本不变，可以看做光子未发生过任何作用，因此在宽束辐射中通常可忽略R或R值，而只考虑光电效应、康普顿散射和电子对效应对光子衰减的贡献。,比较k、c 和p可知： 1）三种效应发生的几率都随Z值增大而增大，因此高原子序数的物质对光子具有更好的阻挡作用，这也是NaI探测器探测效率比HPGe高的原因 2）三者随E的变化不尽相同， k、c都随E增加而降低，但k降低的速度要比c快的多， p随E的增加而增长 图8. 光子三种效应的优势区域 图9. 铅的射线截面,射线衰减规律 由的定义可知 两个相关概念： 平均自由程 半值层,第三节、中子与物质的相互作用,主要内容： 作用机理 作用分类 反应截面,1. 作用机理 中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的形成。 （1）势散射 最简单的核反应，中子波和核表面势相互作用，中子并未进入靶核，而是将其自身的部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。 势散射时入射中子改变运动方向和能量，势散射前后靶核的内能没有变化，中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射是一种弹性散射。,（2）直接相互作用 入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里发射出来，而中子却留在核内。 中子要发生直接相互作用，必须要具有较高的能量，一般这种作用方式是不重要的。 （3）复合核的形成 入射中子被靶核 吸收形成一个新核复合核 ，复合核的形成是中子与原子核发生作用的最重要形式。,中子和靶核在质心坐标系的总动能EC和中子的结合能B构成 复合核的激发能EX ，处于激发态的复合核有几种衰变或分 解方式： （n，p）反应 （n，）反应 （n，n）反应 （n，n）反应 （n，）反应 （n，f）反应 图10. 复合核的形成和衰变,共振现象 当入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的复合核激发态接近一个量子能级时，形成复合核的几率（截面）就显著地增大，这种现象就叫共振现象。 由实验室坐标系的动能EL和质心坐标系的动能EC关系式： 可知，当EC值等于复合核的一个量子能级与结合能B之差时，中子反应截面会出现一个峰值，此EC值对应的EL即为发生共振时中子的动能。,2. 作用分类 由上节的机理分析，我们可把中子与原子核的相互作用分为两大类： 散射：有弹性散射和非弹性散射 吸收：包括辐射俘获、核裂变、（n，）、（n，p）反应等。,中子的散射 1）非弹性散射 入射中子的一部分动能转变为靶核的内能，使靶核处于激发态，然后靶核通过发生射线又返回到基态，因此散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。 入射中子的能量必须高于某一数值才能发生，具有阈能的特点，这种作用形式在快中子堆中比较常见。,2）弹性散射 弹性散射可分为共振弹性散射和势散射，前者经过复合核的形成过程而后者不经过； 弹性散射过程中，靶核内能没有变化，散射前后中子靶核系统的动能和动量是守恒的； 在热中子反应堆中，中子从高能慢化到低能起主要作用的是弹性散射。,中子的吸收 中子吸收反应的重要特点是中子消失，是反应堆中影响中子平衡的重要因素。 1）辐射俘获（n，） 发生在中子的所有能区，但低能中子与中等质量核、重核作用易于发生这种反应，此反应往往伴随较高的放射性。,2）（n，）、（n，p）等反应 （n，）反应 此类反应的代表 （n，）反应 此类反应的代表,3）核裂变 反应堆内最重要的核反应，233U、 235U、 239Pu和 241Pu在各种能量中子作用下均能发生裂变，且低能中子作用下裂变可能性较大，称为易裂变同位素，而232Th、238U、240Pu等只有在中子能量高于某一阈值时才能发生裂变，称作可裂变同位素。 常见的核裂变反应： 每次裂变释放出约200MeV的能量。,3. 反应截面 中子与原子核发生反应的截面与入射中子的能量和靶核的性质有关，对于大多数元素，核反应截面随中子能量E变化的特性大体上存在着三个区域： 1）低能区（E1eV） 在该区吸收截面随E的减小而逐渐增大，即与中子的速度成反比，因此这个区域也叫1/v区。 2）中能区（1eVE103eV） 这个区域内许多重元素核的截面出现许多共振峰，因而此区域也叫共振区。,3）快中子区（E10KeV） 此处的中子反应截面通常都较小，多说情况下小于10bar，而且截面随能量的变化变得比较平滑了。,第二章 射线与物质的相互作用,第一节 引言 学习本章的意义 、等带电粒子和物质的相互作用 射线和x射线等不带电的粒子与物质的相互作用 射线与物质的相互作用指的是与物质当中的原子发生作用，即与原子核和核外电子发生的作用 射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描述为一个碰撞过程 弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等 非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等,射线与物质的相互作用主要分为四类： 1. 射线与核外电子的非弹性碰撞：电离、激发 电离： 入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核外电子获得能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物质的原子就变成了一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分离成了一个自由电子和一个正离子。 如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核继续发生碰撞电离。 原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。 如果原子的内壳层电子(像K层、L层电子)被电离，便会在该壳层上留下空穴,外层的高能级电子就要向内层的空穴跃迁.多余的能量就会以特征x射线或者俄歇电子的形式发射出来。,激发: 如果入射粒子传递给靶原子核外电子的能量还比较小，不足以使其电离，但仍然可以使其从低能级状态向高能级状态跃迁，其结果是使靶原子处于激发状态。 处于激发状态的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放出来的能量以光的形式发射(这就是受激原子的发光)。这与原子核处于激发态，退激时发出射线的本质不同。 入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激发，是射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失. 2.射线与核外电子的弹性碰撞：散射 当入射粒子的能量较低时，入射粒子与靶原子核外电子发生弹性碰撞，入射粒子改变其运动方向，核外电子的能量状态没有什么变化。通常把这种现象称之为散射。,3.射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射 入射粒子靠近靶物质的原子核时，受到靶原子核的吸引或者排斥，入射粒子运动的速度和方向发生改变。随着入射粒子能量的减弱，有一部分动能转化成能量连续的电磁辐射轫致辐射。入射粒子与原子核的这种相互作用叫做非弹性碰撞。 4.射线与原子核的弹性碰撞：吸收 入射粒子靠近靶物质的原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使核激发，而是传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒子可在靶物质中继续进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中。,第二节 重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子：比电子质量大的多的荷电粒子(粒子、质子、氘核 ). 主要与物质中靶原子核中的核外电子发生非弹性碰撞(使得原子发生电离或者激发)。与原子核发生弹性碰撞的几率很小; 快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，才需要考虑由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。 碰撞后入射粒子的运动方向几乎保持不变。重的带电粒子在物质中的运动径迹近似直线。 重带电粒子的能量损失： 入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。把核外电子看成是靶物质中的一个“自由电子”。入射带电粒子与靶物质核外电子之间的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原子中作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于“静止”状态。,1).能量损失率与入射粒子质量无关，而只与它的速度有关。 2).能量损失率与入射粒子的电荷数平方成正比。 3).能量损失率与靶物质的NZ成正比。密度越大，原子序数越高的物质，对入射粒子的阻止本领越大。,在中能区（0.2MeV20MeV），入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的增加而减小；在低于500I的能量处，曲线有一最大值；在高能区（20MeV, 入射粒子的速度接近于光速c），电离能量损失率随入射粒子能量的增加而缓慢上升，在小于3mc2附近的能量处有一宽的极小值。,带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质 中。 入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点（速度等于0）之间的直线距离，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影， 称之为入射粒子在该物质中的射程，以R表示。 路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。路程大于或者等于射程。 1).入射粒子在吸收物质中的射程R与其质量m及能量E有关。入射粒子质量越小，能量约大，速度越大，射程越长 2).射程R和吸收物质的电子密度NZ成反比。 粒子在空气中的射程： 重带电粒子在其它物质中的射程：,粒子在某物质中的射程为： 如果吸收物质为化合物或混合物，,第三节 电子与物质的相互作用 电子与物质的相互作用主要有三种方式： 1).低能电子与物质的相互作用-电离损失； 2).高能电子与物质相互作用时，与靶物质原子核发生非弹性碰撞，产生轫致辐射损失能量； 3).入射电子和吸收物质原子核的弹性碰撞将会使入射粒子改变运动的方向发生散射。多次散射使电子在物质中的运动径迹十分曲折。 与重带电粒子与靶物质核外电子发生非弹性碰撞的情况类似,入射电子也会与靶物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，使得靶物质的原子电离或者激发。 低能入射电子的电离能量损失率为： 粒子电离能量损失率最大值为0.5MeV；电子电离能量损失率最大值为146eV。 在能量相同的情况下，电子的速度要比粒子和质子p的速度大的多。因而能量损失率小的多，其穿透本领要比粒子和质子P大的多。,在能量相同的情况下，电子的速度比粒子和质子p的速度大，能量损失率小，其穿透本领要比粒子和质子P的大。 入射带电粒子在吸收物质中每产生一对电子离子对所消耗的平均电离能只与吸收物质的性质有关，与入射粒子的种类无关。电子在物质中产生一对电子离子对所需要消耗的能量与粒子相同。但电子在单位路程上的能量损失率较粒子小，电子的比电离值较小，电离本领较弱。 高能电子穿过靶物质时，主要与靶原子核发生非弹性碰撞，产生轫致辐射(电磁辐射)，入射电子运动速度迅速减低，运动方向发生改变。这种能量损失的方式叫做辐射损失。 1.辐射损失与入射粒子质量平方成反比。质子P和粒子的质要比电子的质量大的多，在能量相同的情况下，质子或粒子的轫致辐射强度比电子小106倍。对重的带电粒子，轫致辐射引起的能量损失完全可以忽略不计。 2.辐射能量损失与吸收物质Z平方成正比。电子打到重元素中时，容易发生轫致辐射。 从电离损失的角度看，应该使用Z大的材料来防护电子，但高Z的材料会产生很强的轫致辐射，反而起不到防护的作用，所以应该采用低Z的材料来防护电子。对2MeV的电子，它的辐射损失占总的能量损失的比例，在有机玻璃中只占0.7，而在铅中要占8。,3.辐射损失率与入射粒子的能量E成正比（这一点与电离能量损失的情况不同），入射电子能量低时，电离损失占优势；当能量高时，辐射损失就变得重要了。 轫致辐射也是连续谱：在轫致辐射过程中，入射电子的动量由靶原子核、光子和被偏转的电子三者之间分配，光子可以具有任何的动量值，其能量是连续的。 轫致辐射谱的分布是两头小中间大，其最大能量等于电子的能量，其强度的峰值约在电子能量一半的附近；射线的轫致辐射谱是各能量轫致谱的叠加；强度最大处的能量约低于谱的平均能量。 带电粒子通过物质时的总能量损失为电离损失和辐射损失之和： 电离能量损失与辐射能量损失之比为：,带电粒子穿过物质时，发射电磁辐射的现象，除了轫致辐射之外，还有另一种切伦科夫辐射。 切伦科夫辐射：是由于带电粒子穿过物质时，引起径迹两旁的物质原子暂时极化。退极化时，会发射光子。 如果入射的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，这种过程叫做弹性散射。与粒子相比，电子质量很小，散射角度会很大，经过多次散射，最后会偏离原来的运动方向。入射电子的能量越低，靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。当Ee90度时，进入吸收物质表面的电子，能从表面散射回来，称之为反散射。 反散射系数：,低能电子在高原子序数Z且厚靶物质上的反散射系数可能高达50%以上。在射线的测量中要使用低Z物质，以减少反散射对测量的影响。 反散射系数随散射物质厚度的增加而增加，并达到一个饱和值。 饱和反散射厚度(质量厚度)的经验表达式为： 反散射系数与反散射物质原子序数Z的关系: 反散射前后的能量关系为：,第四节 正电子与物质的相互作用 正电子通过物质时，也像负电子一样，与靶物质的核外电子和原子核相互作用产生电离损失、辐射损失、发生弹性碰撞。 能量相等的正、负电子，在物质中的能量损失和射程大体相同 负电子在能量耗净时，就停留在物质中被吸收；而正电子的能量与周围物质达到热平衡时在径迹的末端，被靶物质负电子吸引而发生湮灭，放出23个湮灭光子。 发生湮灭时，正负电子总动量为0，所以湮灭光子总能量等于正负电子静止质量： 实验证明，正负电子湮灭时，发射3个光子与发射2个光子的几率之比大约为1:1000 正电子寿命：在气体中 107s；在固体中 1010s， 在金属中 (1-3)1010s,第五节 射线在吸收物质中的射程 粒子在物质中的电离能量损失率比小，它比粒子有更大的射程。 粒子质量很大，碰撞后运动方向几乎保持不变，粒子在物质中的运动轨迹近似直线，射程与径迹长度(即路程)近似相等； 电子的质量很小，在吸收物质中的径迹非常曲折。电子在物质中的路程远大于射程(1.2 1.4倍)。 电子入射到靶物质后，其能量损失的统计涨落较大，又经过多次散射，射程的不确定性大大增加，射程的歧离可达1015。 射线或者单能电子穿过一定厚度的吸收物质时，其强度减弱的现象叫做吸收。 单能电子在物质中的吸收曲线：通过加吸收片的办法测量 单能电子的吸收随吸收物质厚度近似线性的变化，把吸收曲线的线性部分外推到0，定出电子的射程，叫外推射程R。 当电子束的强度降低到原来强度的1/2时，吸收片的厚度叫它的平均射程。,粒子能量是连续分布的，其吸收曲线与单能电子的吸收曲线明显不同，近似为指数曲线。 能谱中，用最大能量Emax的电子所对应的射程表示射线的射程，叫做射线的最大射程R。 射线在空气中的射程很长，不便测量，通常用铝吸收片测定其吸收曲线 实验表明，对于不同的物质，质量吸收系数随原子序数的增加而缓慢的增加。对于同一种物质，与射线的最大能量之间有如下的经验关系：,如果采用质量吸收系数和质量厚度来表示，则有： 使射线的强度减弱一半的吸收厚度叫半吸收厚度，它和质量吸收系数的关系为： 射程与能量的经验公式为：,第六节 射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用和带电粒子(包括电子)与物质的相互作用显著不同。 光子不带电，它不能像带电粒子那样直接与靶物质原子的核外电子发生库仑碰撞而使之电离或激发，也不能与靶物质原子核发生碰撞导致散射或辐射损失。 在E30MeV时，射线与物质的相互作用主要有以下三种方式：光电效应、康普顿散射和电子对效应。 射线与物质发生这三种相互作用时，都具有一定的概率，通常用截面来表示作用概率的大小 截面的单位为巴：1b=10-24cm2； 总截面就等于三种效应截面之和，即,1.光电效应： 入射光子打在靶物质的原子上，将光子能量全部地转移给靶原子。然后，由靶原子的某一壳层飞出一个轨道电子，而剩余的原子受到反冲。在光电效应中发射出来的这个电子叫光电子。 靶物质的原子吸收了入射光子的全部能量之后，将其中一部分交给某一壳层电子，使其脱离原子核的束缚而飞出来，成为自由电子光电子。所需要的电离能即为电子在原子中的结合能。另一部分能量就变成了光电子的动能。 光电子的能量就是入射光子的能量和该壳层电子的结合能之差。 光电效应只能在束缚电子（壳层电子）上发生。壳层电子在原子中束缚的越紧，产生光电效应的概率就越大。 光电效应发生的必要条件是入射光子的能量要大于壳层电子的结合能。入射光子的能量超过K层电子的结合能，大约有80的光电吸收发生在K壳层电子上。,光电效应打出壳层电子，必然在该壳层上留下空穴，前面已经讲过，随之而来，会有特征x射线或俄歇电子发射出来。 通常放射性同位素放出的射线能量要比电子的结合能大的多。可以近似的认为光电子的动能就等于射线的能量。 入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就低，光电效应的截面就小。 随着入射光子能量的减小，光电效应的截面ph就增大。 入射射线的能量与K层电子的结合能相当时，反应截面达到峰值。 当E略小于Ek时，光电效应在K层上不能发生。 越到外层的轨道电子，受原子核的束缚越小，发生光电效应的概率就越小。,光电效应打出壳层电子，必然在该壳层上留下空穴，前面已经讲过，随之而来，会有特征x射线或俄歇电子发射出来。 通常放射性同位素放出的射线能量要比电子的结合能大的多。可以近似的认为光电子的动能就等于射线的能量。 入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就低，光电效应的截面就小。 随着入射光子能量的减小，光电效应的截面ph就增大。 入射射线的能量与K层电子的结合能相当时，反应截面达到峰值。 当E略小于Ek时，光电效应在K层上不能发生。 越到外层的轨道电子，受原子核的束缚越小，发生光电效应的概率就越小。,光电效应的截面与入射光子能量的关系: 当入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就低，光电效应的截面就小。随着入射光子能量的减小，光电效应的截面ph就增大。当入射射线的能量与K层电子的结合能相当时，反应截面达到峰值。当E略小于Ek时，光电效应在K层上不能发生。越到外层的轨道电子，受原子核的束缚越小，发生光电效应的概率就越小。 当 时,光电效应主要发生在k壳层上,它所占的比例约80%.,光电效应的截面ph与靶物质的原子序数Z有关系 ： 靶物质的原子序数Z较低时，轨道电子在原子中的束缚就小。所以光电效应的截面就小。Z越大的物质，壳层电子受原子核的束缚就越大，越容易发生光电效应。光电效应的截面ph与靶物质的原子序数Z有关系： 当E较高时，只有在重元素中光电效应才比较显著；对于轻元素，只有E较低时，光电效应才比较明显。 光电子的角分布 ：相对于光子的入射方向而言，在不同的角度，光电子的产额是不一样的。 在0度方向和180度方向上，都没有光电子发射出来。而在其它的某一角度，光电子出现的几率最大。 当E很低时（E20keV时，角分布的总趋势是向光子的入射方向靠拢。,2.康普顿散射: 入射的光子与原子核外电子之间的非弹性碰撞产生康普顿散射。入射光子把一部分能量转移给核外的轨道电子，使其脱离原子核的束缚而成为反冲电子。入射光子的运动方向发生改变，能量减少被散射。 光电效应中，光子本身消失，把能量完全交给了光电子： 康普顿效应中，光子改变运动方向，只损失掉一部分能量。 光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上：康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上。 光子与束缚电子之间的康普顿散射，严格的讲是一种非弹性碰撞过程，但外层电子的结合能很小，一般在eV的数量级，与入射光子的能量相比完全可以忽略，可以把外层电子看成是“自由电子” ，可以把康普顿效应看成是光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。 用相对论的能量、动量守恒定律，推导出散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。,当散射角等于0度时，散射光子的能量就等于入射光子的能量；散射光子的能量达到最大值。此时，反冲电子的能量等于0。入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子没有损失能量。 当散射角度等于180度时，入射光子与电子对心碰撞，并且沿完全相反的方向散射回来。反冲电子则沿入射光子的方向飞出，叫反散射。此时，散射光子能量最小，反冲电子能量最大。,康普顿散射截面是对电子而言，整个原子的康普顿散射截面是原子中各个电子康普顿散射截面的线性相加。 当入射光子能量很低时 散射截面与入射光子的能量无关，仅与吸收物质的原子序数Z成正比。 当入射光子能量较高时 散射截面不仅与吸收物质的原子序数Z成正比，还近似地与入射光子的能量成反比。随着入射光子能量的增加，康普顿散射截面下降，下降速度比光电截面下降速度慢。 散射光子可以向各个方向散射，入射光子的能量越高，散射光子越是朝前散射。对应于不同方向的散射光子，反冲电子的能量也不同。反冲电子只能在90度的方向发射，在反冲电子能量的最大处，反冲电子的数目最多。,3.电子对效应： 当光子从靶物质的原子核旁边经过时，在库仑场的作用下，光子转化成一个正电子和一个负电子。 只有当射线能量1.02MeV时才能发生电子对效应。 入射光子的能量一小部分转变为正负电子对的静止质量，其余的作为电子对的动能。 靶原子核也参与电子对效应的过程发生反冲，但反冲能很小，可以忽略不计。 电子对效应在电子的库仑场中也能发生。此时的入射光子能量至少是4倍的m0c2，而且发生的概率要比原子核库仑场中小103倍。 对一定能量的入射光子，产生的正负电子动能之和为常数。但正负电子之间的能量分配是任意的。 产生的正负电子对在吸收物质中，通过电离损失和辐射损失消耗能量。正电子在吸收体中很快会被慢化，并将被湮灭。 湮灭产生的光子在物质中继续发生相互作用。,产生的正负电子对在吸收物质中，通过电离损失和辐射损失消耗能量。正电子在吸收体中很快会被慢化，并将被湮灭。湮灭产生的光子在物质中继续发生相互作用。 电子对效应的截面用p表示：,总之，以上三种效应对于入射光子的能量和吸收物质的原子序数都有一定的依赖关系。因此，对不同的吸收物质和能量区间，这三种效应的相对重要性是不同的，,4. 射线的吸收: 入射光子穿过物质时，与该物质的原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。入射光子或者消失或者散射后改变能量，偏离原来的入射方向，从原来的入射束中移去。 那些没有与物质发生相互作用的光子会穿过吸收层，能量将保持不变。 射线穿过物质时，强度逐渐减弱，可以用半吸收厚度来表示射线对物质的穿透情况。 射线穿透物质的本领要比、粒子大的多。因此，对射线的防护要比对、射线的防护困难的多。 射线（准直的）通过吸收物质时，其强度减弱仍然遵循指数衰减规律。 考虑三种效应中的每一种，总的吸收系数为,单位体积吸收物质中的原子数： 在许多情况下，采用质量衰减（吸收）系数更方便 三种效应的截面随入射射线的能量和吸收物质的原子序数Z而变化；衰减系数也就随和Z而变化。 射线在化合物或合物中的质量吸收系数可按下式计算： 式中，为组成化合物中各元素的重量百分比。,结,射线与物质的相互作用 小结 射线(入射粒子)与靶物质原子核外壳层电子的非弹性碰撞 入射粒子与壳层电子的弹性碰撞 入射粒子与原子核的非弹性碰撞 入射粒子与原子核的弹性碰撞 重带电粒子(粒子)与物质的相互作用 主要与核外壳层电子发生非弹性碰撞:使靶物质原子核电离或者激发-入射粒子能量发生电离损失; 与原子核弹性碰撞的几率很小,比与核外壳层电子发生非弹性碰撞的几率小3个量级,只在入射粒子能量很低时才需要考虑; 与原子核的非弹性碰撞引起的辐射能量损失也完全可以忽略不计.,小结,轻带电粒子(电子)与