chapter2射线与物质相互作用课件

核物探技术

第二章射线与物质相互作用第一节带电粒子与物质相互作用第二节伽玛射线与物质相互作用第三节伽玛射线在物质中的衰减第四节伽玛射线通过物质时谱成分变化第五节伽玛射线在物质中迁移第六节中子与物质相互作用20世纪最厉害的一把双刃剑

核技术1巨大的能量：动力或爆炸2放射性射线：对原子分子作用

为什麽?核辐射与物质作用和产生的效应核辐射的基本性质1.0086650

n中子1.007276+1

p质子00

5.486×10-4

±1

e±

β

4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类载能的粒子:1有没有作用2具体的作用机制是什麽3有什麽样的规律4产生什麽样的结果

α

β核辐射与物质的基本作用

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。原子。。。αβγn

物质：气体液体固体包括人体等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递库仑作用1电离作用2电离效应第一节带电粒子与物质相互作用作用对象：原子（核外电子）原子核作用方式与核外电子发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞一、带电粒子与物质相互作用的一般特征第一节带电粒子与物质相互作用与核外电子发生非弹性碰撞带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。1）电离一、带电粒子与物质相互作用的一般特征自由电子正离子+库仑作用称为δ电子第一节带电粒子与物质相互作用与原子核发生弹性碰撞一、带电粒子与物质相互作用的一般特征带电粒子靠近原子核时，由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原子核，绝大部分能量由入射粒子带走。在此过程中不发射辐射。α粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移，形成缺陷。核库仑作用反冲第一节带电粒子与物质相互作用与核外电子的弹性碰撞一、带电粒子与物质相互作用的一般特征带电粒子靠近原子时，由于与核外电子的库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原子，在此过程种不发射辐射。与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。这种作用只发生在极低能量的β入射粒子身上。原子库仑作用反冲第一节带电粒子与物质相互作用2、α粒子的射程二、α粒子与物质的相互作用

讨论：1、α粒子的射程用平均射程代表；2、α粒子是重粒子，射程涨落小。5MeVα粒子～1％；3、同一物质中，α粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；4、4～8MeVα粒子在空气中射程可以用经验公式计算：天然α粒子在空气中的射程有表可查。第一节带电粒子与物质相互作用2、α粒子的射程二、α粒子与物质的相互作用

讨论：5、4～8MeVα粒子在其他物质中射程可以用它在空气中的射程，采用布喇格－克利曼经验公式计算：ni－原子量为Ai的元素所占百分比。第一节带电粒子与物质相互作用2、α粒子的射程二、α粒子与物质的相互作用

讨论：6、天然α粒子在空气中的射程最大为8.62cm（212Po,能量8.785MeV）。7、相同能量的α粒子在不同物质中的射程不同。8、α粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分之一。实际上一张纸就可以完全挡住天然α粒子。1MeV的粒子穿透物质能力

α1页

β60页/本

铅地下1-2米深铅室γn4580本中子源αβγ射线穿透物质能力αβγ射线穿透人体皮肤情况

第一节带电粒子与物质相互作用3、α粒子与核外电子的作用二、α粒子与物质的相互作用单位距离上α粒子作用所产生的离子对总数。在距离小处，α粒子速度快，作用时间短，比电离小；末端前，速度慢作用时间长，有极大值；此后，能量耗尽，比电离快速衰减到0。(2)比电离（电离比度）比电离距离空气中各点的比电离变化带电粒子通过物质时，在单位距离上由于电离和激发损失的平均能量称为～(3)碰撞电离能量损失率m0，e－电子的静止质量与电荷；z，v－α粒子的电荷数与速度；β＝v/c，c－光速；Z－介质的原子序数；N－介质单位体积（1cm3）内的原子数目；I－吸收介质原子的平均电离电位；W－平均电离能；n－电离比度；第一节带电粒子与物质相互作用3、α粒子与核外电子的作用二、α粒子与物质的相互作用α粒子与核作用形式：卢瑟福散射；核反应。卢瑟福散射－α粒子与核库仑场作用而改变方向；核反应－进入原子核，使原来的原子核发生变化，从而产生新核并放出1个或几个粒子。记为A（α,n）B。几个利用α射线完成的著名的核反应：1）利用210Po放出的α粒子轰击9Be制成的靶，可以产生12C和中子（查德威克1932），导致中子的发现：(4)α粒子与原子核的作用2）世界上第一个制造的人工放射性核素约里奥.居里夫妇1934年

27Al+4He→30P+n30Si+e++提供许多种放射性核素,为研究和广泛应用开辟了广阔前景例如：超铀元素的发现（人工制造）

Z=9293949596……114β+

衰变第一节带电粒子与物质相互作用1、

弹性散射三、β射线与物质的相互作用β粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，仅改变运动方向，动能不变的作用过程。弹性散射是低能β粒子与物质作用的主要形式。根据量子的理论，有对一定能量β粒子，有中等元素与重元素，原子核的散射占主要。第一节带电粒子与物质相互作用1、

弹性散射三、β射线与物质的相互作用由于β粒子受到轨道电子或原子核的散射，β粒子的运动方向不断改变，因此，β粒子的运动轨迹不是一条直线，而是一条不规则的折线。β粒子在物质中的路程，比穿过物质的厚度大很多，一般是1.5－4倍。2、

电离与激发β粒子产生的直接电离约占总电离的20－30％；次级电离约占70－80％；m0，e－电子的静止质量与电荷；z，v－α粒子的电荷数与速度；β＝v/c，c－光速；Z－介质的原子序数；N－介质单位体积（1cm3）内的原子数目；I－吸收介质原子的平均电离电位；E－入射电子动能；α粒子径迹是一条直线5.3MeVα粒子在空气中的射程3.83cm电子径迹是折线第一节带电粒子与物质相互作用3、

韧致辐射三、β射线与物质的相互作用高速运动的β粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。原子核使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。讨论：故用轻介质屏蔽轫致辐射。1)电子的辐射损失比α、P粒子大。2)高速电子、重介质辐射损失大。3)能量增加，辐射损失增大。辐射损耗率定义为：讨论：4)当β粒子能量为10MeV，Z＝82（Pb），电离损耗与辐射损耗相等。天然辐射的β粒子能量一般小于3MeV，与一般岩石等作用时，辐射损耗可以忽略不计。PbAl5)轫致辐射释放的X射线，可以作为X射线源，用于X射线荧光分析，也可用于X光透视。荧光屏也是利用轫致辐射原理制成。电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续0–EMax(电子能量)电视机高压15kV

电子束能量15keVx射线能量0-15keV产生机制第一节带电粒子与物质相互作用4、线阻止本领S三、β射线与物质的相互作用在核反应可以忽略的（不是太高）能量范围，带电粒子主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。总的线阻止本领S为总的质量阻止本领S/ρ为单位：Jm2kg-15、正电子湮灭正β粒子与物质的相互作用与β粒子基本相同。正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

第一节带电粒子与物质相互作用1、β射线被物质吸收四、β射线在物质中的衰减2)半吸收厚度：β粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。3)射程：β粒子经过10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小于1/1000，故将10倍半吸收厚度定义为β粒子的射程。射程单位：cm，g/cm2第一节带电粒子与物质相互作用1、β射线被物质吸收四、β射线在物质中的衰减4)射程计算：低能β粒子射程可以用以下经验公式

I(d)=I0e-μd

第二节γ射线与物质的相互作用1、

γ射线是什么一、概述

电磁辐射谱小能量高

大能量低E=h,=c/

电磁辐射谱小能量高E=h,=c/

大能量低

电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂变碎片介子等

来源

1)放射性物质(人造天然）2)加速器3)反应堆4)宇宙射线5)地球环境

电离辐射和非电离辐射非电离辐射紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应～eV量级移动电话800-1800MHz﹤0.01eV(没有电离作用）γ射线是波长很短能量高的电磁辐射（﹤10-11米，keV，MeV），来自原子核γ衰变,不带电，静止质量0。能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级带电粒子，可以对物质发生电离作用。能量E=hν

动量p=hν/c2γ射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。

γ+AA*+e-

（光电子）原子

A+X射线自由电子原子受激原子二、光电效应1、作用机制1）入射γ光子的全部能量转移给靶原子，其中一部分能量消耗在使壳层电子脱离原子核的束缚所需要的电离能；另一部分转化为出射光电子的动能，还有一小部分用于靶原子核反冲。可见，入射γ光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。2）γ光子与自由电子不能发生光电效应，这是由动量守恒的要求决定的。只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。3）理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射出来成为光电子，但电子在原子中束缚得越紧，就越容易使原子核参加相互作用过程，发生光电效应得几率就越大，所以，K层电子发生光电效应几率最大、L层次之、M层更小…。实际上，80％得光电效应发生在与K层电子得作用上。2、光电效应的特点二、光电效应4）光电效应伴随着特征X射线或俄歇电子的发射。发射光电子后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。2、光电效应的特点（续）二、光电效应入射γ射线光电子特征X射线处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：①外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为“特征X射线”。②壳层电子在跃迁过程中不发射特征X射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。2、光电效应的特点（续）二、光电效应如果在L层电子向K层电子跃迁中不发射特征X射线，则，所发射的俄歇电子的能量等于：俄歇电子式中：E俄歇－俄歇电子的能量；

BK、BL－靶原子K层与L层的结合能。如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为

3、光电子的能量对于原子序数为Z的原子，其各壳层的电子的结合能可以用以下的近似公式计算R=2.179×10-18J=13.6eV里德伯能量γ光子能量一般为MeV级，远大于壳层电子结合能（例I的K层电子结合能为33keV）原子的光电截面：一个入射光子与电位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关

4、光电效应截面τa为原子与入射光子发生光电效应的几率；τK为入射光子在K层发生光电效应的几率；当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数式中n在2.2～4间选择物质的光电效应截面：

4、光电效应截面（续）讨论：1）τa∝Z5，高原子序数材料有利于探测γ光子，同样，选用高原子序数材料有利于防护；2）低能时，τa∝(hν)-3.5，高能时τa∝(hν)-1，表明，对于低能时，电子相对束缚紧些，更易发生光电效应；3）光电截面随入射光子能量的变化关系如右图所示。随能量增大，截面减小。当光子能量小于100keV，截面随E出现尖锐突变点，这些突变点称为吸收限，等于相应壳层电子结合能。EKL1L2L3τa

5、光电效应中光电子的角分布相对于光子的入射方向而言，不同角度光电子的产额是不一样的。可以用微分截面dn/dΩ表示进入平均角度为θ方向的单位立体角内的光电子数目n。实验和理论证明，光电子的角分布具有其明显的特点。在与光子入射方向成0和180方向不会产生光电子，而在某一角度光电子出现几率最大。当入射γ光子能量很低时，光电子在垂直于入射γ射线方向上发射，当γ光子能量增加时，逐渐朝前向角发射。一点说明：广义的光电效应包括外光电效应、内光电效应。其中外光电效应包括单光子光电效应（即通常所说的光电效应）和多光子光电效应。所谓多光子光电效应，就是多个光子的能量同时被一个电子吸收而产生的电子发射。而内光电效应则是指不发射电子的光电效应，包括光电导效应和光生伏特效应。可以利用内光电效应来制作光敏电阻，静电复印机就是利用光生伏特效应的原理制作的。第二节γ射线与物质的相互作用1、

康普顿效应的概念三、康普顿－吴有训效应γ光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而成为“反冲电子”，同时光子损失能量并改变方向成为“散射光子”。康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。康普顿效应可以认为是入射光子与处于静止状态的“自由电子”之间的弹性碰撞，可以利用相对论的能量与动量守恒来计算反冲电子，散射光子及入射光子之间的能量、动量分配和角度等关系。2、康普顿散射射线的能量设入射光子能量，动量为。散射光子能量为，动量为。反冲电子的动能为，总能量为E，动量为P。散射角θ，反冲角φ。则有下列关系式成立：由以上3式可以得出如下结论当散射角

=0o时，Er’＝Er。这时散射光子能量最大，等于入射光子能量，而反冲电子能量。这表明，此时入射光子从电子旁掠过，未受到散射，光子能量未发生变化。当散射角

=180o

时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射回来，而反冲电子则沿入射光子方向飞出。此时反冲电子能量最大而散射光子能量最小。散射光子和反冲电子的能量分别为：由散射光子的能量表达式可以看出，此关系式随Er(hv)变化缓慢。实际测量表明，对不同入射光子的能量，180度反散射光子的能量变化不大，大约都在200keV左右。在不同的散射角θ方向上，散射光子数为：3、康普顿散射光子的角分布单位立体角的微分截面可以按下式计算式中，r0—电子的经典半径，r0=e2/m0C2=2.818×10-13cmω0—以静止电子为单位的光子能量ω0=hν/m0C2第二节γ射线与物质的相互作用三、康普顿－吴有训效应讨论(1)低能条件下的散射截面θ=900时，光子散射几率最小因为ω0→0，散射光子不损失能量，只改变方向。这种不损失能量的散射，称为“汤姆逊散射”，其微分截面为ω0→0，光子向前与向后的散射几率相等讨论(2)光子能量增加时的散射截面(3)一个电子的康普顿散射截面由上式对角度（0－1800）积分获得（克莱因－仁科公式）随着入射光子能量增加，反散射几率减小。对某一较大能量的入射光子，随散射角增大，散射几率逐渐减小。这是散射光子角分布的一般规律。(3)一个电子的康普顿散射截面当hν>>m0C2，即ω0>>1随入射光子能量增加，电子的康普顿散射截面逐渐减小。(4)介质的康普顿散射截面介质的康普顿散射截面为电子的康普顿散射截面乘以单位体积中的电子数。(5)介质的康普顿质量散射截面对于一般造岩元素，上式中Z/A=1/2，从而有上式表明，对于一定能量的γ射线而言，各种岩石的康普顿效应的散射截面都近似相等。散射截面正比于介质密度第二节γ射线与物质的相互作用1、

电子对效应的概念四、电子对效应能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用产生一对正-负电子的过程。能量转化成质量M=E/C2正电子在自然界是不稳定的，寿命10-10～10-7s，当其与负电子相遇时，会发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。利用正物质与负物质发生湮灭放出巨大能量的物理原理，人们正在研制反物质武器。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

γ

γ2、正电子湮灭M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？3、

发生电子对效应的条件(2)其他条件必须在核库仑场的作用下，即在入射的较高能量的伽玛光子很靠近原子核周围时，才有可能发生电子对效应。(1)能量条件答：电子对效应必须满足能量守恒。而产生一对电子所需的最小能量为满足产生一对动能为零的电子的（静止质量相当的）能量，正好为1.02MeV。4、

原子的电子对效应作用截面(1)当h稍大于2m0c2时，有：当h稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。(2)当h＞＞2m0c2时，有：当h远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。结论：不论h为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。5、

讨论天然伽玛射线能量范围：0－3MeV结论：当天然射线与岩石作用，电子对效应可以忽略。天然岩石有效原子序数：10－20Pb：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的15％；Al：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的～0％；射线与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争的。当入射光子能量高于1.02Mev时，这三种效应在相互作用时都可能发生。当入射光子能量低于1.02Mev时，只有光电效应与康普顿效应能发生。若用分别表示入射光子与物质原子发生光电效应、康普顿效应的截面，则入射光子与物质原子发生作用的总截面为：当时。三种效应的截面均与物质的原子序数有关，存在下述关系：σph和σe均随入射光子能量增大而降低，而σp在能量大于等于1.02MeV以后，随Er的增大而增大。

五、三种相互作用比较三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系

射线与物质的相互作用－三种相互作用方式比较

作用几率大于总几率50％区域元素主要作用区（MeV）起始作用区（MeV）光电康－吴电子对光电康－吴电子对铝<0.050.05-15>15<0.150.05-15>3.0铜<0.150.15-10>10<0.400.15-10>2.0铅<0.500.5-5>5<5.00.5-5>2.0不同介质中各种效应为主的γ射线能量范围对中等能量的γ射线，在各种介质中都以康－吴效应为主；对低能γ射线与重物质，以发生光电效应为主；对高能射线与重物质，以发生电子对效应为主。结论：第三节γ射线在物质中的衰减1、

概述一、单色窄束γ射线通过物质γ射线通过介质时由于同物质的三种相互作用,γ光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对γ射线的吸收。厚度X

I0I

所谓单色窄束γ射线，是指单能，并经过准直处理，只有沿入射方向才有射线射出的测量条件。第三节γ射线在物质中的衰减2、

衰减规律导出一、单色窄束γ射线通过物质经过厚为X的物质后，在X+dX处被吸收的射线数应该引入比例系数μ，有解上述微分方程有结果表明：γ射线数目随通过介质层厚度增加而减小，服从指数衰减规律。

第三节γ射线在物质中的衰减3、

讨论一、单色窄束γ射线通过物质μ指数衰减因子线性吸收系数1）线吸收系数μ是由于伽玛射线通过物质时，发生三种衰减效应的总效应之和：2）线吸收系数μ的单位是：cm-13）线吸收系数μ的物理意义：当射线穿过单位距离介质时，单个光子被损失掉的几率。4）线性吸收系数μ与入射射线、作用介质有关：a）γ射线能量高μ值小b）原子序数高μ值大能量（MeV)铅（Pb)cm-1铝（Al）cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1铅和铝吸收系数5）对于某一确定能量，每一种介质有一确定的线性吸收系μ值，该值是、作用介质的吸收特性参数。第三节γ射线在物质中的衰减3、

讨论（续）一、单色窄束γ射线通过物质μ/ρ质量衰减系数1）伽玛射线通过物质时，被吸收的多少，不仅与物质的原子序数有关，尚与其密度有关。为此，引入质量衰减系数。2）质量吸收系数μ/ρ的单位是：g/cm23）引入质量吸收系数后，物质的厚度一般采用质量厚度：Xm。第三节γ射线在物质中的衰减3、

讨论（续）一、单色窄束γ射线通过物质μ/ρ质量衰减系数4）对于混合物，其质量衰减系数为式中：ci－第i种物质的百分含量；μmi－第i种物质的质量衰减系数γ射线强度减弱1/2所通过物质层的厚度

γ射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。

半吸收厚度单位：cm物质层厚度0I/I半吸收厚度(d1/2)3、