2011放射化学第6讲(辐射与物质的作用)

1、 放射化学Radiochemistry带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质作用的主要过程光子与物质作用的主要过程带电粒子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的比电离带电粒子在物质中的射程中子与物质的相互作用2022/9/14The interaction of radiation with matter Si:14 electrons1.110-20m2Nucleu1.010-29m21.23.610-52022/9/14Secondary ReactionM+ R+ + R (dissociation)M+ + e M* (recombination) favoured in liquid

2、or solid.M+ + X Y+ (chemical reaction)M+ + X M + X+ (charge transfer)M+ Mn+ + (n-1)e- (emission of Auger electron)M* M + h (fluorescence)M* 2R (dissociation into radicals) M* R+ + R- (dissociation into ions) M* + X Y (chemical reaction)M* + X M + X* (transfer of excitation energy)2022/9/14带电粒子与物质作用的

3、主要过程电离和激发弹性散射轫致辐射 湮没辐射、契伦科夫辐射 核反应 化学变化2022/9/14Ionization & Excitation (电离和激发) 具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离。 如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为激发。2022/9/14Ionization & Excitation (电离和激发)Particles带电粒子损失能量的主要方式2022/9/14弹性散射(elas

4、tic scattering) 若带电粒子与原子的库仑场发生相互作用时，只改变带电粒子的运动方向，而作用前后体系的动能和动量保持守恒。这种作用过程称为弹性散射。 重带电粒子发生弹性散射的几率很小，散射现象不明显，因此其在物质中的径迹是直线。 电子的质量小，不仅受到原子核的散射，而且受到电子的散射。多次散射的结果，使电子在物质中的运动方向发生多次改变。2022/9/14韧致辐射（bremsstrahlung）当高速运动的带电粒子从原子核附近掠过时，它会受到原子核库仑场的作用而产生加速度。根据经典电动力学，受到加速或减速的带电粒子的部分或全部能量将转变成连续的电磁辐射。这就是韧致辐射。2022/9

5、/14湮没辐射一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可转化为辐射。这种辐射称为湮没辐射。发生湮没辐射的两个碰撞粒子之间遵循质量守恒和能量守恒。 一个正电子与一个负电子相互碰撞时，产生两个能量为0.511MeV的光子。2022/9/14契伦科夫辐射1934年， 前苏联科学家契伦科夫发现： 当高速带电粒子束在透明介质中以大于光在该介质中的传播速度运动时，带电粒子的部分能量以蓝色光的形式辐射出来，这种形式的辐射成为契伦科夫辐射。 相对速度v/c光在透明介质中的折射率2022/9/14契伦科夫辐射契伦科夫辐射是沿着带电粒子运动方向向前的，观察者只有在与粒子运动方向成角的某一方向才能看到发光。如在水

6、中，n=1.33, 若=1， 则=41.240发射契伦科夫辐射的最大角度为：2022/9/142. 光子与物质作用的主要过程2022/9/14光电效应能量为h的光子通过物质时，与原子的某一壳层中的一个轨道电子相互作用，把全部的能量传递给这个电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（光电子）。此效应称为光电效应。2022/9/14光电效应E=h-BeK层和L层发生光电效应的几率最大；如果入射光子的能量大于K层电子的结合能，则K层电子发生光电效应的几率约为80%；在此能量以上，每个原子发生光电效应的总截面为： 低能光子与高原子序数的物质发生相互作用时，光电效应占优势2022/9/14光电效

7、应光电子的角分布与光子的能量有关。光子能量很低时，光电子与入射光子成900角射出的几率最大。随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方。2022/9/14康普顿效应能量为h的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角散射（康普顿散射光子），获得足够能量的轨道电子与光子入射角成 角方向射出（康普顿反冲电子）。此种效应称康普顿效应。2022/9/14电子对效应 当能量大于1.022MeV的光子通过物质时，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的过程称为电子对效应。2022/9/14射线三种主要相互作用与光子能量、吸收物质原子

8、序数的关系2022/9/14带电粒子在物质中的能量损失2022/9/14 重带电粒子在物质中的能量损失 电子在物质中的能量损失 光子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损失2022/9/14Energy loss by Heavy Charged Particles 带电粒子在物质中的能量损失，主要是通过带电粒子与轨道电子的库仑作用（碰撞）产生的，称为碰撞过程的能量损失或电离损失。带电粒子在物质中的能量损失方式主要是电离和激发、其次为韧致辐射。Bethe-Bloch Formula: stopping power dE/dx: average energy loss per unit pa

9、th length 2022/9/14Collision Stopping power (质量碰撞阻止本领)2022/9/14(质量碰撞阻止本领)能量损失率与入射粒子的速度的平方成反比，说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用的时间有关，速度越小，作用时间越长，传递给轨道电子的能量越多；因此，带电粒子在停下来之前的某一段路程上的能量损失将达到最大值。 而与其质量无关；（由于mparticleme，重带电粒子受到的反冲可忽略；入射粒子的能量越小，单位径迹上的能量损失率越大）。2022/9/14(质量碰撞阻止本领)能量损失率与带电粒子携带的电荷数的平方成正比。说明带电粒子携带的电荷越多，与轨道电

10、子的库伦作用越强，传递给轨道电子的能量越多；（同样能量的粒子与质子通过同一物质时，粒子的能量损失率要比质子大4倍。因此， 在物质中的穿透能力弱）。2022/9/14(质量碰撞阻止本领)能量损失率与吸收物质的电子密度和原子序数成正比；（带电粒子在液体、固体中的能量损失率比在气体中的大，在高原子序数的物质中的能量损失率比低原子序数的物质中的大）。2022/9/14总质量阻止本领2022/9/14总质量阻止本领带电粒子在物质中的一切能量损失，用总质量阻止本领来表示：重带电粒子：2022/9/14总质量阻止本领电子：临界能量：EcPb Ec=9.76MeVAl Ec=61.5MeV2022/9/14E

11、nergy loss of PhotonsX、射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时，能产生次级带电粒子（主要是电子）和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、激发把能量传递给物质；x、射线与物质相互作用， 不是通过多次小能量的损失逐渐消耗其能量，而是在一次作用过程中就可能损失大部分或全部能量；在0.110MeV能量范围内，主要的作用过程是光电效应、康普顿效应和电子对效应；2022/9/14带电粒子在物质中的比电离2022/9/14带电粒子在物质中的比电离带电粒子通过物质时，以不同的方式损失能量，引起物质的电离。直接电离：由带电粒子直接作用产生的电离；间接电离：由直接电离产生

12、的次级射线引起的电离。比电离：单位径迹长度上产生的离子对数。气体中每产生一对离子所消耗的平均能量2022/9/14离子和质子在空气中的相对比电离2022/9/14Specific Ionization (比电离)210Po a 3.5 MeV35eV/ion pairSpecific ionization of the particles of 210Po in air2022/9/14带电粒子在物质中的射程2022/9/14带电粒子在物质中的射程带电粒子在某种物质中沿入射方向从进入到被物质吸收所经历的最大直线距离带电粒子在该物质中的射程。射程的大小与粒子的类型、初始能量及吸收物质的性质有关。

13、2022/9/14重带电粒子在物质中的射程Device for the determination of the range of particles in air2022/9/14重带电粒子在物质中的射程平坦部分说明，虽然计数率没有改变，但粒子的能量减小了；斜坡部分说明，尽管入射粒子的初始能量相同，但由于单个粒子在物质中的能量损失是随机的，因此不同粒子的实际射程不同，围绕平均射程随机分布。Relative number of the particles from 210Po as a function of the distance2022/9/14The Range of a in Var

14、ious SubstancesTable 5.12022/9/14射线在物质中的射程单能电子的计数率-射程射线的相对计数率-射程2022/9/14Beta Radiation射线在铝中的射程：(mg/cm2)E=0.012.5MeV R=412E1.265-0.0954lnEE2.5MeV R=530E-106Absorption of the radiation of 32P in aluminium2022/9/14Beta Radiation with MatterExcitation and ionizationBremsstrahlungBackscatteringSet-up fo

15、r the measurement of backscattering2022/9/14BackscatteringBackscattering of radiation of various energies as a function of the atomic number Z of the absorber2022/9/14X、射线与物质的相互作用X、射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时，能产生次级带电粒子（主要是电子）和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、激发把能量传递给物质；X、射线与物质相互作用， 不是通过多次小能量的损失逐渐消耗其能量，而是在一次作用过程

16、中就可能损失大部分或全部能量；在0.110MeV能量范围内，主要的作用过程是光电效应、康普顿效应和电子对效应；X、射线在物质中不存在射程的概念。2022/9/14反应截面光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没有发生。光子在物质中穿行时，与物质发生作用的概率用截面表示：单位时间内光子在厚度为x的单位面积物质中相互作用的光子数入射光子数吸收物质的原子密度入射厚度单位：靶(b)=10-24cm22022/9/14射线的吸收令：= ph+ c+ p= N: 射线的总线性吸收系数 m= /: 射线的总质量吸收系数I=I0e - x2022/9/14射线的吸收质量吸收系数对一定物质

17、而言为常数，与物质的物理状态无关；通常用半吸收厚度概念来表示射线的穿透能力d1/2=0.693/混合物或化合物：1、 2、 3、 i 分别为组成元素的重量百分比；由于分子中原子之间的化学结合能非常小，可以把化合物作为混合物来处理2022/9/14Gamma Radiation with Matter2022/9/14中子与物质的相互作用2022/9/14中子与物质的相互作用中子几乎不能与电子相互作用；只能与原子核相互作用。作用类型：散射（弹性散射和非弹性散射）、吸收弹性散射：快中子与轻介质的相互作用非弹性散射：快中子与重介质的相互作用吸收：中子被原子核吸收后，产生其他种类的次级粒子，只有慢中子

18、才能被有效吸收。2022/9/14中子的分类2022/9/14中子的慢化元素1H2H7Li9Be12C16O238U1.000.7250.2680.2090.1580.1208.3810-3N1825678611415021722MeV的中子在不同物质中减速到热能(Ef=0.025eV)的参数,中子能量的对数值在每次碰撞中的平均损失2022/9/14中子与物质的相互作用轻元素（氢）可以作为快中子的良好减速剂；在中子的防护中，常用含氢的物质和原子量小的物质（水、聚乙烯、石蜡、石墨、氢化锂）作为快中子的减速剂。2022/9/14The End of Chapter 52022/9/14Slowdown of neutro