核辐射与物质相互作用课件

1、射线与物质相互作用射线 Ray 高速运动的粒子和光子 （天然或人工放射性、加速器、反应堆、宇宙射线）包括： X射线、射线、射线、射线等 本质都是辐射粒子。 物质 Matter 常被称为：靶物质 靶材料 各种化学元素 单质 化合物 混合物 可以是 气体 液体 固体 放射性放出的射线碰到各种物质的时候，会产生各种效应：射线对物质的作用物质对射线的作用例如：使照相底片和乳胶感光使一些物质产生荧光可穿透一定厚度的物质吸收一部分散射一部分可能使一些物质的原子、分子发生电离 从射线的测量、利用以及防护的角度上讨论问题，经常将射线按照带电性质分为几类： 1.带电射线： 、t、d、p、 、 、 e 轻带电粒子

2、：e+、e- 重带电粒子：、 p、 重离子：Z 2 2.中性粒子：超子、 0、n 3.电磁辐射：、主要内容：一.重带电粒子与物质相互作用（）二.射线与物质相互作用三.射线与物质相互作用四.中子与物质相互作用一.重带电粒子与物质相互作用1. 粒子参数、来源及特点2. 电离能量损失1）平均电离能2）比电离3）粒子的射程3. 离子的射程1）作用机制2）公式及结论 重带电粒子与物质相互作用，常常是以粒子为例。 重带电粒子是相对于电子质量而言的，质量要比电子的质量大的多。 随着粒子与物质的相互作用，粒子逐渐损失能量，速度减慢慢化 入射粒子最后完全停留在靶物质吸收 几种主要的使入射粒子损失能量（慢化）的相

3、互作用过程：电离能量损失辐射能量损失散射传递的能量不够大，不足以克服原子核的束缚 激发状态是不稳定的，以发射光子的形式放出相应的能量，回到基态。原子退激可以使电子从低能级状态跃迁至高能级状态、使原子处于激发状态激发当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞时 电离能量损失是重带电粒子在穿过物质的过程中，能量损失的主要方式靶物质原子获得能量电离 激发入射射线（）损失能量电离能量损失（阻止本领）慢 化2）公式及结论：入射粒子电荷电子的静止质量靶物质原子序数相对论修正项壳层修正项靶物质单位体积内原子数目电离损失与入射粒子速度 成反比 当种类相同的入射粒子（粒子速度V不太大时） ，入射到相同的靶物质中时，

4、相同的情况下， 速度越快，损失能量越小几点结论： 电离损失与入射粒子所带的电荷数 成正比速度相同，而所带电荷不同的入射粒子 大电离损失大 小电离损失小 速度相同，入射粒子的电荷数越多， 能量损失越快 穿透本领越弱 组织本领与入射重带电粒子能量的关系 在图2.1的 b段 成反比电离损失与靶物质NZ成正比， 高Z、高N物质对重带电粒子的阻止本领比轻物质（低Z、低N）大图2.12.粒子的射程 Range1）比电离 Specific ionization 定义：单位路程上产生离子对的数目 S 重带电粒子穿过靶物质时，与原子核外电子碰撞，引起原子的电离和激发而损失能量，因此，沿入射粒子入射途径会产生电子

5、-正离子对。 重带电粒子在穿过靶物质时，一路上所产生的离子对数目分布是不均匀的。由图2.2 可见：当粒子刚进入空气中时，比电离较小随着穿过距离的增大，比电离越来越大入射粒子穿过物质时，会逐渐损失能量，当能量很小时，电离损失最大，直至电离损失为零。图2.2平均电离能定义：产生一对离子对需要的平均能量 W平均电离能的特点：只与物质种类有关，与入射粒子能量无关 粒子与电子碰撞的过程中，轨迹几乎是一条直线运动方向不会发生很大的改变 粒子的径迹是直线的路程 射程3-7MeV 的粒子 在标准状态下的空气中的射程图2.3经验公式：MeVcm计数保持不变平均射程对于 210Po在标准状态下的空气中粒子能量（

6、）空气（ ）生物组织（ ）铝（ ）42.531164.53.037205.03.543235.54.049266.04.656306.55.264347.05.972387.56.681438.07.491488.58.1100539.08.9110589.59.81206410.010.613069 表2.1 粒子在几种物质中的射程用质量厚度表示射程：5MeV 的粒子在人体组织中的射程为43m人体组织密度：人体皮肤厚度：所以：粒子造成的外照射伤害可以不考虑单位：二. 射线电子与物质相互作用 射线来源及特点能量损失1）电离能量损失2）辐射能量损失3）多次散射3.射线的吸收1. 粒子参数、来源及

7、特点射线 实际上是高速运动的电子 （负电子、正电子）由核衰变产生的射线，具有以下特点： 半衰期在 能量 04MeV 能谱特点： 连续 有最大衰变能 某处有最大强度能谱示意图电子与物质相互作用的特点： 与相同之处：均是带电粒子在与物质相互作用时，仍然主要是与物质中原子的核外电子发生电离相互作用 与不同之处：粒子质量是粒子的质量的1/7300, 在与物质相互作用过程中,会有很大的差别主要作用形式有：电离能量损失辐射能量损失多次散射运动轨迹不再是直线，而是十分曲折存在的问题： 粒子的质量只有粒子的1/7300，所以具有相同能量的粒子和粒子速度就要相差很多，大很多，往往接近光速，因此对粒子相互作用的情

8、况必须要考虑相对论效应同为4MeV的 粒子和粒子 当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，入射电子将自己的一部分能量给与原子壳层电子，使原子电离或激发。 电离能量损失:电子在穿过物质时，损失能量的主要方式1）电离能量损失2. 能量损失几种物质的电子平均电离能物质名称 空气 Al CH4 H2 CO2 HeW (eV) 34 26.4 27.0 36.3 32.8 41 电子在吸收物质中产生一对离子对所消耗的平均能量与电子能量无关，只依赖于物质种类。可见：电子的电离能量损失率:电子的电离损失率:粒子的电离能量损失率：电子的电离能量损失率:（1）差别仅在与方括号内的第二项（2）(-d

9、E/dx)e与粒子的速度v2成反比 在相同能量的情况下，电子的速度要比粒子的速度大很多，因此电子的电离损失率比粒子要小得多，正是由于它的电离损失率小。结论: 射线穿透物质的本领比粒子大得多！ 4MeV粒子 在水中每微米产生3000对电子正离子对 1MeV粒子 在水中每微米产生5对电子正离子对（3）电子的电离本领较弱能量损失率平均电离能穿透力强 穿过同样厚度的同一物质时，粒子比粒子损失的能量要小得多，所以具有更大的穿透力。电离本领弱 穿过同样厚度的同一物质时，粒子比粒子的能量损失要小得多，所以产生的电子正离子对就少，电离本领弱。电子的电离损失率具有的特点（与相比）2）辐射能量损失作用机制 当快速

10、带电粒子穿过物质时，受核库伦场作用而改变速度，这时粒子的动能的一部分会以电磁波的形式辐射出来轫致辐射入射粒子的电荷、能量及质量辐射能量损失率：吸收物质单位体积的原子数吸收物质的原子序数结论:矛盾的两个方面 正比于Z2 ， 用重元素作靶物质时，易于发生轫致辐射 与m2成反比粒子和质子的轫致辐射是电子的10-6速度相同的情况下， 因此 对于比质子更重的带电粒子的辐射能量损失完全可以忽略不计c） 正比于E 粒子能量高时，轫致辐射才显著 Ee=10MeV 时， 50%辐射损失Ee=100MeV 时，90%辐射损失在相对论能区，电子的辐射损失和电离损失之比值决定因素： 入射粒子能量 靶物质原子序数当要吸

11、收、屏蔽射线时，不宜选用重材料当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶图 2.6 粒子能量损失与能量的关系 粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。轫致辐射的特点 入射电子原来的动能 原子核、光子、被偏转的电子三者之间分配，所以轫致辐射光子可以具有任何动能，对应的光子能量谱是连续的，0最大, 等于电子的动能Ee ，故： 轫致辐射又称连续X射线3）粒子的多次散射 粒子与靶物质原子核库伦场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量 。这种过程称为：弹性散射 由于电子的质量小，因而散射角可以很大（与粒子相比，粒子的散射要大得多），而且会发生多次散射，最后偏离原来的入射方向。入射粒子能量越

12、低，及靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。 多次碰撞多次散射 ，经多次散射，电子可能返回原来的入射方向，这就叫做“反散射”。 对于粒子最后散射角大于90的情况，称为“反散射” 反散射系数：反散射电子与入射电子强度之比图2.73. 射线的吸收 当单能电子或射线通过物质时，由于与物质相互作用，结果使它们的强度减弱，最后停留在物质中，称为吸收。射线或单能电子束穿过物质时，强度减弱的现象1）射线的吸收 粒子在穿过物质时的总能量损失率比粒子小 粒子比粒子具有更大的射程 例如：能量相同：4MeV 被作用物质：空气粒子的射程：2.5 cm粒子的射程： 15 m 因衰变而放出的电子，其能量是连续分布的，故没有

13、射程而言。 可用射线能量中电子的最大能量 所对应的射程来表示射线的射程。 射线的最大射程测量射线射程装置示意图对于能量在 之间单能窄束射线的吸收曲线，可以近似地表示为：进入吸收物质前的粒子强度进入吸收物质厚度为X或Xm后的粒子强度线性吸收系数cm-1线性厚度cm质量吸收系数质量厚度g/cm2cm2/g在实际工作中, 常使用经验公式计算射线的射程射程的单位为质量厚度 mg/cm2能量单位为：MeV表2.2 几种物质中的粒子的射程介 质 密度单位： 射线能量(MeV)空气生物组织0.110.1 （0.012）0.016 （0.016）0.005 （0.014）0.231.1 （0.038）0.04

14、9 （0.049）0.0155 （0.042）0.356.7 （0.07 ）0.089 （0.089）0.028 （0.076）0.485.7 （0.11 ）0.187 （0.187）0.059 （0.159）0.5119.0 （0.146）0.187 （0.187）0.059 （0.159）1.0306 （0.367）0.48 （0.48 ）0.15 （0.41 ）3.01100 （1.35 ）1.74 （1.74 ）0.55 （1.49 ）5.01900 （2.34 ）2.98 （2.98 ）0.94 （2.54 ）单位：cm单位：mg/cm2铝从图中可知：单能电子与相同最大能量的射线的吸

15、收曲线，形状差别较大。但最大射程相同。用质量厚度来表示射程时，与物质的实际密度和物理状态几乎无关5MeV的射线在铝中：在空气中：对于一定能量的粒子，用质量厚度来表示射程时，几种介质几乎是相同的。 所以, 通常用铝作为标准，来估计Z相差不大的物质对射线的吸收情况快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大； 重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略； 重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重 重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线三.射线与物质相互作用 概况介绍 光电效应 康普顿效应 电子对效应 射线吸收 1. 概况介绍a. 伴随核衰变的射线60Co 衰变纲图137C

16、s 衰变纲图 来源射线的能量原子核初态与终态之间的能量差，反映子核的能级结构半衰期特征呈现出母核衰变的半衰期b. 湮没辐射 当母核经 衰变时，还伴有的电磁辐射产生，起因在于初级衰变过程产生的正电子湮没。 C. 伴随核反应的射线退激产生光子 6.30MeV平均寿命 例如：d. 轫致辐射 当快电子与物质相互作用时，其部分能量转换成轫致辐射，其转换的份额随能量的增加而增加；随吸收物质的原子序数的增加而增加，能量连续分布。e. 特征X射线 多种原因导致原子的内壳层出现空位，外层电子向内壳层填充的过程中，产生X射线。 规律 尽管他们产生的原因不同，能量大小不同，均属于电磁波 只要它们的能量相同，它们与物

17、质相互作用的规律就相同由于射线不带电，在物质中的穿透情况不能“射程”来描述。带电粒子是多次与电子和核碰撞作用逐渐损失能量，光子可以与物质中的原子一次碰撞损失全部或大部分能量。射线穿过物质时，其能量不变，强度按指数规 律衰减 射线和带电粒子与物质相互作用的规律不同 由于射线不带电，它同物质相互作用完全不同于带电粒子，主要区别在： 作用方式光电效应康普顿效应电子对效应相干散射光致核反应核共振反应贡献小于1%主要讨论作用截面 射线与物质相互作用的大小也用反应截面 来表示截面 入射光子数发生作用的光子数靶物质原子数个/cm3.cm 一个入射光子与单位面积上的靶原子发生作用的几率用（b）来表示 射线与物

18、质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面2. 光电效应 射线的全部能量转移给束缚电子，使这些电子从原子中激发出来，光子本身消失这种现象光电效应放出的电子光电子图2.9 （a）光电效应示意图光电效应发生后的原子 发生光电效应时，从内壳层打出电子，在此壳层就留下空位，并使原子处于激发状态，这种激发状态是不稳定的，退激发过程有两种： 特征X射线 俄歇电子图2.9 （b）特征X射线或俄些电子发射示意图 入射光子打在原子上，原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子核的束缚所需

19、要的电离能（电子在原子中的结合能），另一部分作为电子的动能，所释放出来的光电子的能量就是入射光子能量与该光电子所处壳层的结合能之差。a. 光电子的能量入射光子能量壳层结合能b. 光电效应截面在非相对论情况下， 在相对论情况下图2.10 光电效应吸收截面与入射光子能量的关系c. 发生光电效应的条件光子能量电子的结合能要有原子核参加80% 的光电子是 K层电子 光电效应的截面光电效应中K层电子的贡献3. 康普顿效应1) 光子穿过物质时而光子则被散射从另一个方向飞出打出一个电子康普顿电子散射光子散射光子和反冲电子的能量散射光子的能量入射光子的能量散射光子的散射角反冲电子的能量换算关系:特殊情况：反冲

20、电子能量最大散射光子能量最小时，反散射入射光子与对应的反散射光子能量值（MeV）0.5 0.662 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 0.169 0.184 0.203 0.218 0.226 0.235 0.2402) 康普顿散射的截面入射光子能量很低时，入射光子能量较高时，此时截面与光子能量无关，只与Z有关与光子能量有关、与Z有关图2.13 康普顿散射截面入射光子能量的关系3.电子对效应 当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，这个过程称为电子对效应。图2.14. 电子对效应示意图正、负电子对的动能：所以：入射光子的能量大于1.02MeV，才

21、可能发生电子对效应电子对效应的截面 电子对效应的截面是入射光子的能量和吸收物质原子序数的函数。可见：电子对效应是随着靶物质的原子序数Z和入射光子能量的增加而增加的。图2.15 电子对效应截 面与射线能量的关系电子对效应的逆过程湮没辐射 由电子对产生的快速正、负电子在物质中通过它产生电离损失和辐射损失而损失掉能量，当正电子被慢化后（动量很小时）它与周围物质中的一个电子相互作用，转化为两个光子，这个现象被称为：放出的光子称为湮没光子湮没辐射湮没辐射所具有的特点：3）两个湮没光子的发射是各向同性的。1）两个湮没光子的能量相同，2）两个湮没光子的飞行方向相反；4.射线的吸收 射线吸收的现象 当光子穿过

22、物质时，与吸收物质的原子一旦发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，原来能量 的光子就消失或散射后能量改变掉，并偏离原来的入射方向，即从原来的入射束中移去。 在原来入射方向上原能量的粒子数就减少射线的吸收 射线吸收所服从的规律图2.17 射线吸收示意图 准直成平行窄束的射线，通过物质时强度将减弱有下列关系入射射线强度射线强度的变化吸收物质单位体积原子数通过物质薄层厚度 射线通过物质时,上述三种效应同时存在,只是作用几率不同,而且射线的三种效应彼此无关.光电效应截面康普顿效应截面电子对效应截面 用质量衰减系数和质量厚度表示：解上述方程：边界条件 指数衰减规律两边取对数：对于多种射线含有几个不同能量

23、的射线对于均匀混合物的计算 对于均匀化合物的计算 第i种元素所占的体积第i种元素在化合物中所占的重量百分比第i种元素的密度5） 半吸收厚度 实际工作中，常常用半吸收厚度来表示射线在物质中的吸收情况 射线强度减弱一半时所，需要的吸收物质的厚度 半吸收厚度当：时由：单位：1/cm三种射线性质的相对比较射线 质量 电荷 比电离 比较 空气中 穿透力 （原子质量） 能力 射程 的射程 4.00 +2 10,000 1 数厘米 数微米Al 7300me 0.005 -1 100 100 大于1米 数毫米Al =me 0 0 1 10,000 数米 几厘米的Pb口腔内牙齿摄影用于胸部成像的常规X线系统主要

24、内容：1）中子的特性、分类及特殊能量的中子2）中子的来源3）中子与物质相互作用的主要方式4）中子减速的方法和依据4. 中子与物质相互作用1）中子的特性和分类 中子的性质中子 ：一种不带电的粒子 是组成原子核的粒子之一 表示：电荷： 0，中性粒子中子波长与它的动能、动量的关系：质量： 自由中子是不稳定的能自发地衰变为质子，同时发射电子和反中微子半衰期： 此半衰期和中子与物质相互作用过程的时间相比，这个时间是很长的。通常情况下，看成是稳定粒子b.中子的分类：因为：不同能量的中子在与原子核相互作用时，有着不同的特点所以：常把中子按照不同能量的大小进行分类中子的能区范围： GeV（109eV）neV（

25、10-9eV）中子能量的分组：慢中子：01KeV。 包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子2) 中能中子：1KeV0.1MeV3) 快 中 子：0.1MeV100MeV热中子（thermal neutron） 这种中子和室温下周围介质大量的分子处于热平衡状态，亦即它的能量相当于周围介质的热运动的能量。特殊能量的中子：热中子的能量：热中子的速度超热中子：epithermal neutron能量大于热中子能量的中子称为超热中子共振中子：resonance neutron能量处于重核的共振能区内的中子，称为共振中子冷中子（1 时A = 1 时 此时反冲核的能量最大结论：轻核氢核 1) A越小，反冲核

26、所获得的能量就越大 当 A=1 时（氢 质子），反冲核的能量最大， （对中子减速作用最好） 可以采用氢核作为辐射体产生质子反冲来减低中 子的速度 如： 水（H2O）、石蜡（C2H2) 选用氢核作辐射体，反冲核就是质子由此可见：2）当A很大时，值很小，反冲核带走的能量很小, 中子几乎不损失能量，也就是说：高Z物质对中子慢化没有多大作用。质量数0.2210.2840.6400.7500.889靶核表2.7 几种轻核的值图2.21 氢的中子散射截面中子的散射截面随中子能量的增加而增加b) 中子的吸收中子吸收：辐射俘获核裂变产生带电粒子的核反应 入射中子与物质相互作用后不再作为自由粒子存在的现象目前用

27、的最多的是以下三种核反应：核反应中释放的能量反应截面2. 核反应可见： 中子入射到某一原子核上发生核反应后，中子被吸收，生成的是具有一定能量的带电粒子。 对 反应半衰期：7.3秒 放出、射线 是水中放射性的主要来源2）核裂变核裂变是核反应堆中最重要的核反应易裂变同位素、裂变同位素铀-233 铀-235 钚-239 钚-241 在各种能量的中子作用下均能发生裂变，并且在低能中子作用下发生裂变的可能性较大。的裂变反应：裂变碎片中子数目同时释放200MeV的能量不是全部产生裂变，还有辐射俘获反应带走165MeV的能量3）辐射俘获 中子射到核上，被俘获（抓住），形成一个新核 复合核。 这个复合核是不稳定的，处于激发状态的。立即通过放出光子而回到基态，这就叫做“辐射俘获” 辐射俘获的表示具有放射性简写： 原子核俘获一个中子后， 生成一个比原来的核质量数大1个单位的同位素，而且生成核是放射性的，用下式描述：最常用的： 吸收了中子的核变成为另一种同位素，这新生的同位素