射线与物质的相互作.ppt

第五节 射线与物质的相互作用,前面介绍了放射性核素会放出 、 、 和中子等射线。 掌握各种射线与物质相互作用的规律有三方面意义： (1) 对射线进行必要的防护，以免对人体造成危害；,、,、,、,、,、,、,(2) 对各种射线加以利用，使之用来治病、诊断和测厚、探伤及育种等等；,、,、,人头核磁共振图,考古断代,(3) 以便制造出各种有效的探测器械。 原子核在衰变过程中发出的各种射线通过物质时，将和物质发生的一系列相互作用。,、,、,、,、,粒子 轨迹图,下面就原子核在衰变过程中发出的各种射线通过物质时，将和物质发生的一系列相互作用进行分类介绍。,一、 射线与物质的相互作用： 射线是电磁波，波长比 X 射线更短。 射线透过物质时将会逐渐减弱，其强度随吸收物的厚度按指数规律衰减： 线衰减有两种原因，一是吸收，二是散射(改变方向，没有能量散失)，因此是由两部分构成的。,、,、, 光子进入物质被吸收的方式有以下几种： 光电效应、康普顿散射和电子对生成。 此外还可能发生光致核反应、核共振反应和相干散射，只是可能性一般很小。,当能量很高(大于 30 MeV )时，才考虑光致核反应和核共振反应； 而当能量很低(小于 100 keV )时，才虑及相干散射。,1光电效应 (photo electric effect), 当 光子与物质中原子相互作用时，将其全部能量交给原子中的内层电子(主要是 K 壳层电子，也可以是 L 壳层或其他壳层的电子)，电子获得能量后，随即脱离原子而飞出。,光电效应 K 壳层电子获能后，飞出原子。,K 层,光电效应 L 壳层电子获能后，飞出原子。,L 层,光电效应中 释放的电子 叫光电子。 当光电子的 能量等于或 略高于壳层电子与原子的结合能时， 发生这种过程的几率最大。,在医学上常用能量较低的 和 X 射线跟原子序数较高的物质作用时，光电效应往往占主导地位。 在光电效应中，由于发射了光电子的原子内壳层上出现了一个空位，因而该原子便处于激发态，但这一空位很快将被外层电子填充掉，并放出该元素的标识射线。,L层,K 层,M层,所以，在光电效应发生时，照射的光子被消失， 伴随着出现光电子和元素的标识谱线。 模式图,Kr,K,2康普顿散射效应 能量较大的 光子与原子中比较外层的、束缚不太紧密的电子相碰撞时， 光子将其部分能量传给较外层的电子，使之脱离原子成为反冲电子，而 光子由于损失一部分能量，就改变了频率和运动方向。,M 层电子飞出原子。光子损失部分能量，改变了频率和运动方向。,M层,对于散射作用来说，入射光束在其前行方向上的射线强度有明显的减弱。,另一种散射过程是： 光子与原子核结合较紧密的内层电子碰撞时，光子只是改变其行进的方向，但光子的能量可以不损失。 原因 内层电子被原子核紧紧地束缚着，故只能吸收特定的能量。当光子的能量不足以把内层电子轰出原子时，内层电子也不会吸收能量。,光子只改变行进方向，但光子的能量不损失。,K层,以上两种情况统称为散射。 只有光子的散射才能使射线在原来前行方向上的强度有所减弱。 物质中发生的大多数散射效应，是属于中等能量的光子。,3对电子生成 ( pair production ) 入射光子的能量大于两个电子的静止质量所对应的能量 ( 大于 1.02 MeV )， 光子经过原子核附近时，在原子核场的作用下会转化为一个正电子 ( positron ) 和一个负电子，这一现象叫做对电子生成。,光子能量一部分转变为正、负电子的 静止质量外，剩余能量转化为正、负电子的动能。,虽然在真空中正电子是稳定的，但它在物质中却不能长期存在， 正电子与物质中的原子碰撞后将逐渐失去其动能。 4.电子对湮灭 ( pair annihilation ) 正电子与一个负电子结合，并一起化为两个反方向飞行的、同能量（0.511 MeV）的光子对。,射线的穿透能力比 X 射线还要强。 当射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。 原子核释放出的光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。,光电效应: 因核外电子壳层出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射 X 射线标识谱。 高能光子（2兆电子伏特）的光电效应较弱。,低能量 光子和高原子序数的物质作用，以光电效应为主；,康普顿效应: 光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞， 光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。,中等能量光子则以康普顿散射为主,正负电子对: 当光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随光子能量的增高而增强。,低能量 光子以光电效应为主；,中等能量光子则以康普顿散射为主,在高能 光子以电子对生成为主。, 光子与物质作用的三种形式与光子的能量和物质的原子序数有关。,光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量， 通常利用光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。 此外还可用谱仪（利用晶体对射线的衍射）直接测量光子的能量。,由荧光晶体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器是探测射线强度的常用仪器。 通过对射线谱的研究可了解核的能级结构。 射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。,射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。,刀放射疗法：,二、带电粒子与物质的相互作用： +、-、 等射线都是由带电粒子组成的。 当这些运动着的带电粒子在物质中穿行时，因损失能量而使其速度将逐渐降低，能量主要消耗于使原子电离或激发上。这种能量损失常称做电离损失。,1电离： 直接电离（ionization） 、 射线 都是些高速运动的带电体，它们在高速运行的途中由于静电力的作用，使原子或分子中的电子脱离出来，而形成自由电子和正离子。,间接电离(或次级电离) 通常脱离出来的自由电子也具有较大的动能，继而又引起其他原子或分子的再次电离。 电子损失动能后，最终附着在原子或分子上成为负离子。,同时，高速带电粒子射线也能使原子或分子处于高激发态，这些处于激发态的原子或分子将会发射光子，或将激发态的能量转变为热运动的能量。 带电粒子通过物质时，在它所经历过的路径上留下许多离子对。,比电离 ( specific ionization ) 每厘米路径上所产生的离子对数，又称为电离密度。 比电离的大小取决于带电粒子的电量、速度和被照射物质的密度，是表征粒子电离本领的强弱。,粒子带电量多，则作用于原子外层电子的力就大； 速度小，则作用的时间就长； 物质密度大，意味着作用机会相应增加，故所产生的比电离就大。 因此粒子的速度小、电荷量多，物质的密度大，比电离就大；反之就小。,因 粒子的质量 粒子的速度， 在同样能量的条件下，在同一物质中 粒子的电离比值要比 粒子大得多。,例如 1 MeV 的粒子在空气中的电离比值为：40000 对离子cm， 而 1 MeV 的 粒子的电离比值只有： 50对离子cm。 同能量的（+）粒子与（-）粒子和物质的作用略有不同，但是一般都近似地认为两者相同。,与 粒子的电离比值的差别原因有两点： 其一， 粒子的电量是粒子电荷的两倍； 其二，同为 1 MeV 能量的和粒子，它们的速度相差很远， 粒子 光速，而粒子的速度则为光速的 94，几乎为光速。,故与粒子的比电离有差别。 图给出了两种 不同能量的 粒子在空 气中所产生 的电离比值 随距离变化的情况。,开始电离 比值较小， 随着能量渐 次损耗， 粒子速度减 慢， 此时 的电离比值逐渐增大，并达到某一峰值，,曲线(1)对应着能量较小的粒子； 曲线(2)对应于能量较大的粒子。 两者起始速 率值的不同， 它们的电离 比值也不同。,此后当粒子能量消耗殆尽之时，跟着电离比值便急剧下降至零。,然而对于粒子来说，其质量比 粒子小很多，它在物质中通过时，径迹甚为曲折复杂，不便于用上面类似的图形来表示它的电离比值。 通常是采用测量粒子的能量与 粒子的电离比值关系来表征出粒子的电离情况。,测量粒子的能量与粒子的电离比值关系来表征出粒子的电离情况。,2、带电粒子的散射： 散射 (scattering) 当带电粒子通过物质时，受原子核静电作用而改变其运动方向的现象。 依前述知粒子质量远大于粒子的质量，故粒子的散射现象不太明显，其径迹基本上呈一直线，而 粒子的散射则十分明显。,粒子的散射现象不太明显，其径迹基本上呈一直线， 而粒子的散射则十分明显。,轫致辐射 当带电粒子深入物质后，受到原子核的阻挡，其速度突然锐减而将其损失的动能以光子的形式辐射出来。,实验表明，由轫致辐射损失的能量与物质原子序数的平方成正比，而与带电粒子质量的平方成反比，并随着带电粒子能量的增加而增大。 当放射性核素所发出的粒子能量不够大时，其轫致辐射可以忽略。,粒子在空气和水中的辐射损失较少，只是在原子序数较高的钨和铅中，辐射损失达到总能量损失的 1。 3、射程 ( range ) 带电粒子在气体中由开始到停止所通过的最大距离。,带电粒子在通过物质时，由于电离、激发、散射和轫致辐射，其能量不断地损失，最后停止下来。 （- ）粒子成为自由电子； 而（+ ）粒子将与电子结合转化为两个能量各为 0 . 511 MeV 的光子。,能量耗尽后的粒子将俘获两个自由电子变成中性的 He 原子；,一般在气体中粒子的射程为数厘米左右。 例如由镭 射出的粒子，其开始速度约 15 000 kms，在空气中的射程约 3.2 cm； 又如钍 的粒子初速度约为20 000 kms，它在空气中的射程约为 8.2 cm；,但粒子在液体及固体中的射程变短。 实验表明：电离比值愈大，粒子的能量损失愈快，射程就愈短。 粒子的电离比值 粒子， 故粒子的射程比粒子长得多，即粒子穿透能力强于粒子。,如粒子在生物体内的射程为 0.030.13 mm； 粒子在生物体内的射程为几至几十毫米，且粒子在空气中的射程可达几米之遥。 因此，在外照射情况下，粒子的危害性不大，也易于防护，而 粒子的危害就大得多了。,在内照射情况下，粒子的电离比值大，伤害很集中，故粒子的伤害严重性应尤为注意。 同一种物质对带电粒子的吸收作用与物质层的厚度有关，也与射线的种类有关。,能量等同的射线，通过不同厚度的空气时，分别测出通过后的粒子数，就可得射线的吸收曲线， 粒子的数目开始时并不随吸收体厚度的增加而减少， 但每个粒子的能量在减小，速度在减慢。,当接近射程末端时，粒子数急剧减少为零，,这表明能量单值的粒子的射程基本上趋于一致， 习惯上用粒子在空气中平均射程来反映它的能量。,实验表明，物质对粒子的吸收情况遵守指数衰减规律，即： 式中为射线 在该吸收物质中的线性衰减系数（因物质不同而异）；d 为吸收厚度。,图为粒子穿过铝板时的吸收曲线。,可见粒子与粒子的吸收曲线不同。 因为同一放射源发出的粒子也具有各不相同的能量值， 故能量值小的先被吸收掉， 能量大的经过较厚的吸收体才被吸收掉。,能量值小的先被吸收掉， 能量大 的 经过较 厚的吸 收体才 被吸收掉。,三、不同物质对各种射线的吸收： 粒子的 吸收 用普通的纸 或衣服就可 把粒子吸 收掉。,粒子的吸收 用适当厚 度的铝阻 止粒子 通过。, 粒子的吸收 射线对物质的穿透力，较、射线都强， 如镭的线透过 10 cm 厚的铅时，才减少到 0 . 5 以下(此时仍未被全吸收)， 在水中通过 1 . 5 m 时，仅减少约 1 左右。,粒子的防护 铅可阻止 粒子通过， 物质密度大 的厚铅可吸 收粒子。,中子射线的防护 中子不带电，当它通过物质时，不易直接引起电离和激发， 所以中子在物质中可以穿过很长距离。 快中子的速度约为光速的 1/10， 在空气中射程可达 300 m 。,对于中子的衰减分两个阶段： (1) 快中子的慢化， (2) 热中子的吸收。 热中子可以被各种物质吸收，而快中子则往往是先使它慢化，然后再以热中子形式把它们吸收。,伴随快中子慢化和热中子吸收过程，还可能发射射线， 所以在衰减中子的同时，还要注意对次级辐射的屏蔽。 由于中子与原子核间无静电力作用，故中子极易跟核碰撞接近，,并将部分能量交给原子核，使原子核发生反冲， 而中子自身减速，并改变运动方向。这个反冲核可使其他原子电离。 实验表明，中子跟和它质量相接近的原子核碰撞时，损失能量最多，,故中子射线最易被含氢多的物质所吸收如水、石蜡、石墨、普通混凝土、普通土(含水10)等物质。 使中子慢化的过程有两种，即弹性散射和非弹性散射。 几兆电子伏以下的快中子，主要靠与轻原子核的弹性碰撞来慢化它们。,小结： 用普通的纸或衣服就可把 粒子吸收掉。 适当厚度的铝可把 粒子吸收掉。 适当厚度的铅可吸收掉 粒子。 中子射线最易被含氢多的物质所吸收（如水、石蜡、石墨）。,中子在轻材料中只要经历数十次弹性碰撞，快中子很快被慢化为热中子，而被最后吸收掉。 几兆电子伏以上的快中子、高能中子，主要靠与中等或重原子核的非弹性散射来慢化，,如果这些快中子在 中经历数次非弹性散射，使快中子能量降至1MeV左右，这些 1 MeV 中子在铁中须经历数百次弹性碰撞才会成为热中子，再被吸收掉。 可见，含氢物质(常用水)与中等或重物质的联合使用是慢化高能中子的十分有效的方法。,热中子能被所有物质吸收，但不是任何一种物质都能用来屏蔽热中子，因为许多物质吸收热中子时，伴有高能辐射，所以常在屏蔽材料中加进适量的 ，以使这两种原子核吸收热中子后，仅放出贯穿能力最差的粒子。,至于快中子慢化和热中子吸收过程中产生的次级辐射，可用一般衰减 射线的方法来衰减它们， 而用于慢化快中子的重元素本身就起到了部分衰减次级辐射的作用。 高能中子进入原子核内时，能引起三种核反应：,(1)非弹性散射 ( n , n )： 此时中子仍然从核内发射出来，但能量减小，原子核处于激发态； (2)电荷交换反应 ( n , p )： 中子留在核内，发射一个质子，这相当于原子核传递给中子一个正电荷，故称为电荷交换反应；,(3)中子俘获反应 ( n , )： 中子存留于核内，其结合能以 光子形式发射出去。 上述核反应生成物，可能是稳定核素，也可能是放射性核素。 在人体内慢中子可引起的核反应有：,在人体内慢中子可引起的核反应有： 这些