射线与物质的相互作用PPT课件

1、1一电离辐射的种类二弹性碰撞和非弹性碰撞三带电粒子在物质中的慢化 5.1 概述概述第1页/共50页2带电粒子辐射),(tdp重带电粒子辐射)(e快速电子非带电粒子辐射),(x电磁辐射中子 电离辐射：能量大于10eV量级的射线。一电离辐射的种类一电离辐射的种类第2页/共50页3 相互作用过程中，满足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 当E = 0时，弹性碰撞； 当E 0时，非弹性碰撞； E 0时，与基态原子碰撞，原子被激发； E 0时，与激发态原子碰撞。二弹性碰撞和非弹性碰撞二弹性碰撞和非弹性碰撞 带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。第3页/共50页4从微观上看：碰撞机制

2、： 与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。碰撞后： 入射粒子能量损失； 或能量、方向改变后出射； 或入射粒子消失，产生新粒子。从宏观上看： 不管作用机制如何，穿过物质的射线强度比入射强度减小。第4页/共50页5 入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、原子核发生的库仑相互作用。 入射带电粒子在相互作用过程中逐渐慢化。 在入射带电粒子与电子的一次碰撞中，靶原子的电子获得的动能只占入射离子动能的很小的一部分。 质子入射时：0max5001EE三带电粒子在物质中的慢化三带电粒子在物质中的慢化第5页/共50页61、带电粒子与核外电子的非弹性碰撞带电粒子与核外电子的非弹性碰撞 核外电子获得能量，引起电离或

3、激发。电离：产生自由电子、正离子，主要在最外层电子。 激发：电子跃迁，原子处于激发态，退激发光。电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。第6页/共50页7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电离损失。2、带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞 入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射电磁辐射韧致辐射。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。 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。第7页/共50页83、带电粒子与靶原子核的弹性散射带电粒子与靶原子核的弹性散

4、射 入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。 叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。4、带电粒子与核外电子的弹性散射带电粒子与核外电子的弹性散射 与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电子能量状态不发生改变。 100eV以下的粒子才需考虑。第8页/共50页9一重带电粒子在物质中的能量损失二重带电粒子的射程 5.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 与核外电子的非弹性碰撞； 与原子核的非弹性碰撞。第9页/共50页10一一重带电粒子在物质中的能量损失重带电粒子在物质中的能量损失1.

5、能量损失率： 入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。dxdES 有：电离损失率，辐射损失率。radiondxdEdxdEdxdE所以，也叫线性阻止本领。第10页/共50页11Bethe 公式(Bethe formula)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等关系的经典公式经典公式。公式推导的简化条件： 1.入射粒子与“自由电子”发生碰撞； (入射粒子的动能远大于电子的结合能) 2.入射粒子与“静止”电子发生碰撞； (入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度) 3.入射粒子的电荷态是确定的, 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

6、身能量小得多, 入射粒子方向几乎不变)第11页/共50页12电子碰撞能量损失率的近似表达式为：NBvmezdxdEion2042421202lnIvmZB其中：按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为IvmZB202ln只是：通过以上假设可以得到重带电粒子与单个电子的碰撞情况：第12页/共50页13Bethe-Block公式： 根据量子理论，并考虑了相对论修正几点讨论：NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)11ln(2ln例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S与入射粒子质量无关，只与电荷与速度有关。)()(0021vSvSmm221121m

7、ESmESmm第13页/共50页4、S与v2的关系142、S与入射粒子的电荷平方z2成正比)()(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p与，S=4Sp 。3、S与靶物质的电子密度NZ成正比NZS Z v2较大，对数项增大，S上升 ； v2较小，S 1/v2 ； v2很小，电荷交换效应，俘获； v2极小，核阻止作用。第14页/共50页15二重带电粒子的射程二重带电粒子的射程射程R ： 带电粒子在物质中沿初始入射方向行进的最大距离。路程： 带电粒子在物质中实际经过的轨迹。 对重带电粒子，射程=路程； 对轻带电粒子，射程1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，入射

8、光子转化为一个正电子和一个电子的过程。1、能量关系 从能量守恒：202cmEEhee202cmh电子对效应发生的条件：)2(0,20cmhEEee电子动能范围：三电子对效应三电子对效应第41页/共50页422、电子对效应必须在有原子核参加时才能发生。 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。 原子核带走多余的动量，又不带走过多的动能。正负电子来自何方？正负电子来自何方？ 不是从原子核中释放的；也不是来自原子中的电子轨道；是射线转化而来，是物质不同形态的转化。3、电子对效应的截面当：

9、 稍大于 时：h202cmEZp2当： 时：202cmhv EZpln2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。第42页/共50页43小结：5Zph27)(hphZc2Zp1)(hh0)(hc1)(hhhp)ln(hh 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。第43页/共50页44第44页/共50页45能量改变；强度不变；射程概念。EEEE能量改变；强度改变；最大射程。四四 射线的吸收射线的吸收第45页/共50页46EE能量改变；强度不变；射程概念。EEEE能量改变；强度改变；最大射程。能量不变；强度改变；无射程概念。四射线的吸收第46页/共50页471、射线通过物质时的吸收 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，0)0(II解得：teItI0)(第47页/共50页482、吸收系数线性吸收系数：IdtdIcm1质量吸收系数：