[化学]射线与物质的相互作用

第二章 射线与物质的相互作用,核技术应用与辐射防护,本章所提的射线不仅包括放射性核素衰变过程中产生的带电粒子、不带电粒子或由二者混合形成的任何电离辐射，也包括由射线装置产生的电离辐射。,射线与受照射物质相互作用时，不仅射线能量不断损耗，而且强度也不断降低，甚至还会引起受照射物质原子核的核反应。这些现象对于射线探测、射线特性研究、射线应用及辐射防护等具有十分重要的意义。根据实际应用情况，这里着重讨论射线、射线、射线及中子与物质的相互作用。,核技术应用与辐射防护,§2.1 射线与物质的相互作用,1粒子与核外电子的作用,引起电离或激发。电离能量损失率为,式中：z 为粒子的电荷,（2-1）,m0、e为电子静止质量和电荷； N 为1cm3 体积吸收物质包含的原子数； Z 为吸收物质原子序数； 是入射粒子的速度； /c，c是光速； I 为吸收物质原子的平均电离电位； E 为入射粒子的平均动能；,粒子电离能量损失，与粒子本身的质量无关，但与吸收物质的密度和原子序数Z成正比，与它的电荷数的平方成正比，与速度的平方成反比，能量越低，损失越大。,核技术应用与辐射防护,2粒子与原子核的作用 粒子通过物质时，可能与原子核发生库仑作用而改变运动方向，即卢瑟福散射，还可能进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，即产生一新核并放出一个或几个粒子，属于核反应过程。例如用210Po放出的粒子打击9Be制成的靶，产生12C和中子，这一过程可写成核反应式：,或简单写成：,核技术应用与辐射防护,3粒子的吸收与射程 粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为吸收。 带电粒子从进入物质到完全被吸收，在其原来的运动方向上穿过的最大距离，称为某带电粒子在该物质中的射程。 粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲。对于一束单能的粒子，它们在物质中的射程几乎相同。,图2-1 粒子在核乳胶中的径迹,核技术应用与辐射防护,不同粒子在空气、生物阻织和铝中的射程已由实验测出，其结果列于表2-1。,表2-1 粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程,能量范围在48 MeV之间的粒子在空气中的射程与能量关系的经验公式为,（2-2）,式中：R为平均射程，单位取cm；E为粒子能量，单位MeV。,核技术应用与辐射防护,在其他物质中粒子射程可由布拉格克利曼（Bragg-Kleeman）公式计算，即,（2-3）,式中：Ri为粒子在i吸收物质中的平均射程；i为i吸收物质的密度；Ai是i吸收物质原子质量数；R是空气中粒子的平均射程。,§2.2 射线与物质的相互作用,1粒子引起的电离和激发,核技术应用与辐射防护,图2-2 电子与原子的弹性碰撞与非弹性碰撞示意图 （a）弹性碰撞 （b）非弹性碰撞,核技术应用与辐射防护,电子在某物质中通过单位长度路径时，由于电离和激发而引起的能量损失称为电离能量损失率，用,由原入射电子产生的电离称为直接电离。在直接电离中产生的电子叫做次级电子，如果次级电子具有足够高的能量，它还能引起其他原子产生电离，称为次级电离。,表示（COL代表碰撞），根据贝特（Bether）公式，电子的电离能量损失率具体可以表示为,核技术应用与辐射防护,式中：m0、e为电子静止质量和电荷； N 为1cm3 体积吸收物质包含的原子数； Z 为吸收物质原子序数； 是入射电子的速度； /c，c是光速； I 为吸收物质原子的平均电离电位； E 为入射电子的平均动能；,显然，电子的电离能量损失率除依赖于入射电子的能量外，还与吸收物质的密度和原子序数Z成正比。,（2-4）,核技术应用与辐射防护,2韧致辐射 当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射，这就是韧致辐射，又称韧致X射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到电子的最大动能。 电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射而损失的能量称为辐射能量损失率，用,表示，贝特（Bether）给出的具体表达式为,核技术应用与辐射防护,由于辐射能量损失率与吸收物质原子序数Z的平方成正比，这表明高能电子射到重元素上更容易产生韧致辐射。辐射能量损失率还与入射粒子质量的平方成反比，这一点使得只有电子才是韧致辐射的有意义的来源，对于其他重粒子，由于质量很大，韧致辐射可以忽略。,（2-5）,其中各物理量的意义与前式相同。,核技术应用与辐射防护,在电子能量很大时，它的能量损失主要是韧致辐射损失，能量较小时，仍以电离损失为主。电子的辐射损失和电离损失之比大致是,（2-6）,当 时对应的电子能量为Ecri,几种不同物质的Ecri,表明：空气、水等轻原子材料中，当电子能量远小于150MeV时，以碰撞损失为主。在大于150MeV时，辐射损失占优势。 铅的Ecri数值很小，说明很容易发生轫致辐射。,核技术应用与辐射防护,为物质的线阻止本领。对应于线阻止本领，还有质量阻止本领，表示入射电子在通过单位质量厚度(1 gcm-2)某物质时的能量损失，记作,其中，为吸收物质的密度。,如果从吸收物质的角度来命名，可定义,核技术应用与辐射防护,3粒子的吸收和射程 粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为吸收。 粒子的路径是弯弯曲曲的，而粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲；粒子通过物质时的吸收成指数函数规律衰减，即使对于初始能量完全相同的电子在吸收物质中也没有固定的射程。,核技术应用与辐射防护,图2-3 粒子在核乳胶中的径迹,射程和路径的概念并不一样。一般来说路径的长度是它射程的1.24倍。实验证明，当粒子能量大于1 MeV时，射程和能量的关系基本上是线性的。能量为 4 MeV的电子在空气中的射程达 15 m。 射线在物质中的射程用质量厚度来表示，单位是gcm-2。,图2-1 粒子在核乳胶中的径迹,核技术应用与辐射防护,在电子能量处于0.56 MeV情况下，粒子的吸收关系可近似用指数函数来表示，即,式中：I0表示进入吸收物质前的射线强度，I是穿过x cm厚度吸收物质后的射线强度，为吸收物质对粒子的线性吸收系数，单位是cm-1。,（2-7）,核技术应用与辐射防护,在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度gcm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以m表示，其单位是cm2 /g，上式就改写为,式中：xm表示吸收物质的质量厚度，为物质密度。,（2-8）,核技术应用与辐射防护,质量吸收系数m与粒子最大能量的经验公式为,将单向粒子流的辐射量或强度减少到初始值一半时的减弱层厚度称为半厚度，也称半值厚度或半值层，以d1/2表示，是辐射防护领域常用的术语。对于指数衰变系统，存在,（2-9）,（2-10）,核技术应用与辐射防护,如果将以m替换，则d1/2变换为（dm）1/2，称为半吸收厚度，是粒子束强度减弱一半时所需要的吸收物质质量厚度。一些常用公式如下：,（2-12）,（2-11）,核技术应用与辐射防护,4切伦科夫辐射 高速带电粒子（如粒子）通过折光系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度，此时带电粒子的能量将有一部分以可见光或接近可见光的形式释放出来，这种现象于 1934 年首先为前苏联科学家 切伦科夫（.）发现，故称切伦科夫辐射。 5湮没辐射 一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可能转化为辐射，称湮没辐射。例如一个+粒子与一个负电子碰撞，产生两个（或三个，但几率很小）能量为0.511 MeV的光子。实验证明，大部分正电子是在低能时湮没的。,核技术应用与辐射防护,X射线与射线都是电磁波，两者没有本质差别，只是产生的方式和波长不同。 射线是激发态原子核退激或正负电子对湮灭的产物，而X射线是原子的壳层电子由外层向内层空位跃迁或快速电子与原子核外电子库仑场作用的产物。 一般说来，射线波长比X射线波长更短。射线是高能量的光子，称为光量子，其能量用hv表示，h是普朗克常数，v是电磁波的频率。,§2.3 、射线与物质的相互作用,核技术应用与辐射防护,1射线与物质相互作用机理,光子与物质原子相互作用主要有三种方式，如图所示。,图2-4 光子与物质原子相互作用,核技术应用与辐射防护,（1）光电效应 能量为E的入射光子把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，成为光电子，光子本身消失。发射光电子的动能Ee为,（2-13),Bi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征X射线。,（2）康普顿效应 光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，光子被散射，改变了原来的能量和运动方向，这就是康普顿效应。反冲电子的动能为,（2-14）,式中：m0c2为电子静止能量，约为0.5 MeV；角度是散射光子的散射角。当 1800时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,（2-15）,这说明康普顿效应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，称为康普顿边界。,核技术应用与辐射防护,（3）电子对效应 当光子能量大于2 m0c2时，光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，即,（2-16),核技术应用与辐射防护,综上所述，光子与物质发生作用时，能量较低时以光电效应为主，如果射线能量接近 1 MeV，康普顿效应将占主导地位，而当射线能量超过 1.02 MeV时，就有可能产生电子对效应。,一个重要的结论,核技术应用与辐射防护,2窄束射线的吸收 准直成平行束的射线，通常称为窄束射线。单能的窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为射线的吸收。射线强度的衰减服从指数规律，即,（2-17）,其中I0和I分别是穿过吸收物质前、后的射线强度，x是射线穿过吸收物质的厚度（单位为），是吸收物质的线性吸收系数。,核技术应用与辐射防护,在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度gcm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以m表示，其单位是cm2 /g，上式就改写为,式中：xm表示吸收物质的质量厚度，为物质密度。,（2-18）,的大小反映了吸收物质吸收射线能力的大小。是吸收物质的原子序数Z 和射线能量的函数，但关系复杂。,图2-5 铅、锡、铜、铝对射线的吸收系数和能量的关系,核技术应用与辐射防护,图2-6 lnnxm曲线,在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该时刻的射线强度I成正比，所以（2-18）式也可以表示为,两边同时取对数，得,核技术应用与辐射防护,有时，物质对射线的吸收能力也用“半吸收厚度”表示，它是指使入射的射线强度减弱到一半时的吸收物质的质量厚度，记作（dm）1/2，在量值上为,（2-21）,核技术应用与辐射防护,图2-7 宽束射线的衰减 1放射源；2吸收物质；3探测器；4散射线束；5非散射线束,3宽束射线的吸收,核技术应用与辐射防护,由图中可以看出，不仅初级光子被探测器记录，而且经过吸收物质散射的光子也有一部分被记录，因此，宽束条件下的射线衰减规律变为,其中 B 称为射线通过物质时的积累因子。由于I包括了初级光子及散射光子，所以 B 的值始终大于1。 B 的大小反映了散射光子的相对贡献，与多种因素有关，包括放射源形状、吸收物质的原子序数、吸收厚度等。,（2-22）,核技术应用与辐射防护,4. 穆斯堡尔效应（ Mössbauer Effect）,即原子核辐射的无反冲共振吸