射线与物质相互作用

射线与物质相互作用第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.1带电粒子与物质作用带电粒子主要是指α

、β粒子，两者销有区别：α粒子带正电，有4个质量，为重粒子，速度低，为1/10C，能量大，4-8Mev；β粒子带负电，质量几乎为零，电子流，速度大，约等于光速，能量小，<4Mev,1.0Mev左右。一、粒子的性质第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六二、作用形式1、电离、激发电离：带电粒子与介质中原子的壳层电子相作用，使其获得能量，若其能量足够时便可能脱离核的束缚而成为自由电子。激发：若壳导电子获得之能量不足以克服核的吸引，则该电子只能跃迁到离核较远的轨道上去。次级电离：指电离过程产生的一些能量相当大的电子引起的原子电离。空气中α粒子的次级电离约占总电离的60～80％；β粒子的次级电离约占总电离的70～80％。所以次级电离不容忽视。第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六几个描述电离作用的物理量a)电离比度：带电粒子在单位路程上形成的离子对数，单位：对/cm，对/mmb)平均电离能ε：带电粒子形成一对离子平均消耗的能量c)电离损耗率：带电粒子在单位路程上的能量损耗称电离损耗率。它与电离比度成正比，比例系数就是平均电离能，写成关系式为：物理意义：表明介质的阻止本领第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2、轫致辐射当高速电子或其它带电粒子通过物质，而被原子核库仑场阻止而减速时，伴生的电磁辐射，此称轫致辐射。另一定义：当快速运动的带电粒子在原子核附近突然被减速时，则有一部分动能转变为连续能量的电磁辐射，这种过程称为轫致辐射。Z为原子序数，E为能量，N为单位体积介质中原子数,m0为入射粒子的质量上式与m0成反比，m0越大，越不易发生轫致辐射，所以α粒子不易发生轫致辐射，α粒子的轫致辐射仅是β粒子的1.8×10-8倍，故一般不考虑α的轫致辐射。第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六对于β粒子其电离和轫致辐射损耗率公式：第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3、弹性散射带电粒子在物质中运动时受库仑场的影响而改变方向，这种现象称为散射。如果散射前后入射粒子与原子核的总能量不变，称为弹性散性。如果散射前后总能量不相等，则称为非弹性散射。β粒子与原子核作用易发生弹性散射，特别对于低能β（100ev以下），与高原子序数的物质作用，更容易发生弹性散射。第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六三、带电粒子在介质中的射程1、带电粒子的吸收：带电粒子与物质作用（电离，激发，轫致辐射）不断损失自已的能量，直到能量完全耗尽，而停在介质中，这一过程称为~。2、射程：沿入射方向从入射点到终止点的直线距离。α粒子的射程Rβα第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六β粒子的射程由于β粒子能谱是连续谱，一般用β粒子的最大射程（或具有最大能量的β粒子的射程）来表示β粒子的射程。对于铝介质，有经验公式：第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3、β粒子在介质中衰减相对能注量率I/I0吸收厚度g/cm2曲线1_单能电子能量为1.9Mev曲线2_β射线连续谱,最大能量为1.9Mev第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六4、β射线的自吸收

设I0为单位厚度的薄层在该薄层表面产生的β射线计数率，取dx薄层，则表面β计数率为I0dx,则I0dx经过x厚吸收层的衰减遵从负指数规律：dxhx第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六①当很小时，也很小，

表示β射线计数率随厚度增大线性地增加。薄层②当很大时，也很大，

表示射线β计数率与h无关，已达饱和，此时h称为饱和厚度

③对于以上两者之间，有：过渡层厚层①②③第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.2γ射线与物质的相互作用一、γ射线的特点即是粒子，又是光子，具有波粒二象性，是一种波长极短的电磁辐射，不带电，静止质量为零，不会发生电离，激发，轫致辐射作用。1.3.2.1、作用形式第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六二、作用形式光电吸收效应定义：当γ光子与物质中原子发生碰撞时，将全部能量交给原子中的壳层电子，获得能量的电子克服电离能的束缚而脱离原子运动。光子能量完全被吸收，同时放出自由电子叫光电子。

τ表示的光电线吸收系数描写人射光子在介质中发生光电效应的几率

第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2、康普顿散射效应定义：当入射光子与壳层电子直接碰撞时，光子只将部分能量给了电子，电子以此能量为动能反冲出去，称为反冲电子（或康普顿电子）；入射光子本身改变了原来的方向并不消失，称为散射光子。θφEγ入射光子E’γ散射光子Ee反冲电子σ康普顿线吸收系数

第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3、形成电子对效应定义：能量较高（大于1.02MeV）的γ光子与原子核库仑场作用时，光子本身完全被吸收，并转化为一对正、负电子。

生成的正电子不稳定，很快与电子碰撞而同时消失、即淹没了，转变为一对能量皆为0.51MeV的γ光子。可见在电子对效应中，高能光子将转变为低能的γ光子。

电子对线吸收系数，用符号κ表达第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六对于一束γ光子来说，发生三种效应的比例不同，与不同的物质作用的比例不同，与入射γ光子的能量，介质的质量数密切相关，一般，中能无论与原子序数大或小的物质作用，主要是康普顿吴有训效应；低能与重物质作用主要为光电作用，高能与重物质主要是形成电子对作用。以符号μ代表它们的总和几率

单位距离上γ光子作用的几率原子截面电子截面第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六σs__真散射（散射光子）σa—真吸收（反冲电子）第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.2.2γ射线在物质中的衰减γ射线通过物质时，产生光电效应，康-吴效应，形成电子对效应，使射线强度逐渐减弱，称为γ射线的吸收或衰减。有关

（与介质的吸收系数这种衰减（与入射γ射线强度，能量（与仪器的探测精度（入射γ射线的几何成分

第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1、单色窄束γ射线在物质中的衰减窄束是指好的几何条件，即在有准直器条件下窄束射线在铅中的衰减Na-2.754Mn-0.835Zn-1.116第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2、宽束γ射线的衰减宽束是指探测器记录了散射γ射线，没有准直器(当窄束时q=1,当宽束通过厚物质q=0)

钢板厚度照射量率（I/I0）1为宽束，2为窄束第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3、点源γ射线在无限均匀介质中的衰减曲线1是点源在硅中的衰减情况曲线2为不记录散射的衰减情况有效吸收系数ρd(g/cm2)I/I0第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六五、γ射线射程例：试计算能量为3.0MeV的γ射线，需要多厚的铝板将其完全吸收掉？由于常以铝作为造岩元素的代表，所以这实际计算的就是γ法的探测深度。第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.2.3、射线通过物质时谱成份的变化谱成分的变化是指射线强度、射线组成的变化1、γ射线仪器谱的形成NaI晶体GDB整形放大脉冲幅度分析器定标器上阈下阈记录计数Iγ射线

I0第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六Cs-137的仪器谱其过程是这样的:γ光子与NaI晶体作用,产生次级电子:光电效应____光电子康吴效应_____反冲电子,散射光子__光电子形成电子对效应____正负电子___γ光子__电光子为什么会发生这一现象?如何发生的?第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六如Cs-137，次级电子有：光电子Ee=0.661-εi反冲电子Ee,散射光子再作用的Ee形成电子对时的Ee=Eγ-1.02形成的峰有：光电峰—

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累积效应：全能峰(2)次级电子在晶体中损耗能量,它与能谱仪产生脉冲幅度成正比次级电子与晶体作用产生,电离与激发,产生自由电子,自子电子在倍增管上倍增,产生电子流,在负载电阻上产生脉冲,脉冲幅度大小与次级电子的能量成比例。（3）记录到的电脉冲的幅度取决次级电子能量，而次级能量是一个较宽的能量分布第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六形成的峰有：光电峰E

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特征X射线峰

——0.661Mev——介于0-0.4769Mev——康普顿边————介于0.661-0.184Mev————0.184Mev————32.2Kev,由Ba吸收Cs-137的低能γ光子而产生的能级变化得到的X射线第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六Na-24能量为2.754Mev,1.369Mev123456第三十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2、γ射线通过物质后谱成分的变化NaIGDB整形放大脉冲幅度分析器定标器记录计数IEγEγE’γE’’γE’’’γ51Cr通过不同厚度的砂时的谱图可以看到随着砂层厚度的增加，仪器谱的形状没有明显的区别，射线谱成分大体一定，且在低能区形成积聚峰。常把谱形不随吸收层厚度的增加而变化的情况叫“谱平衡”；谱成分发生什么变化,原因?第三十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六由于散射过程形成了次级散射射线，倘若吸收屏具有一定的厚度，散射射线可以再次散射，形成更次一级散射射线，随着作用次数的增多，散射射线的能量逐渐减少。这样便得到一个既包含原入射射线，又有一次散射、二次散射以至多次散射的散射射线，其能量在范围内的复杂谱。原因第三十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六点状Ra源通过水泥屏时的能谱曲线实线为无屏；点线为47.07cm水泥屏；虚线为5.22cm水泥屏无限大铀矿层的γ射线谱半无限大铀矿层的γ射线谱第三十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.3中子与物质相互作用1.3.3.1、中子特征一、电荷:不带电的中性粒子

二、中子的质量:三、中子的自旋:四、中子的磁矩:五、中子的寿命:第三十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六

中子按能量的分类中子名称能量（eV）速度（m/s）温度（K）波长（nm）超冷中子冷中子热中子超热中子慢中子中能中子快中子特快中子超快中子相对论中子10-7～2×1030～2×103≈0.0250.1～11～103103～5×1055×105～107107～5×1075×107～1010>10102.2×1031.4×1061.4×1072931.16×1081.16×10101.8×101.9×10-22.9×10-3第三十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.3.2中子与物质作用的微观过程第三十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六中子与物质作用从微观过程讨论其作用形式为核反应，从宏观过程则为减速、散射、吸收。1、弹性散射(n,n)所谓弹性散射，是指中子与原子核发生碰撞