核工程与核技术理论讲座《射线与物质的相互作用》课件

1、射线与物质的相互作用,1 基本概念 2 基本粒子 3带电粒子与物质的相互作用 3.1带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 3.2重带电粒子与物质的相互作用 3.3带电粒子在物质中的射程 3.4beta射线与物质的相互作用 3.5beta射线的射程 4伽玛射线、X射线与物质的相互作用 4.1光电效应 4.2康普顿效应 4.3电子对效应 4.4其它相互作用 4.5衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数,基本概念,放射性：原子核自发发射各种射线这一性质的统称。 电离：指从一个原子、分子或其他束缚状态释放一个或多个电子的过程。（如果这种相互作用仅使电子跃迁至较高能级，则称作激发。） 电离辐射：由能引起物质电离的带电粒子或不带电粒子构成的辐射。有时简称为辐射。,基本概念,直接电离辐射：带电粒子，初级过程。 间接电离辐射：不带电粒子，次级过程。 非电离辐射：从一个原子释放出一个价电子需要的能量为4-25eV，通常将量子能小于10eV的光子视为非电离辐射（紫外线、可见光、红外线、射频辐射等）。 辐射照射：机体受到各种电离辐射的作用称为辐射照射。或简称为照射。（外照射，内照射）,基本概念,基本概念,相互作用指

2、的是辐射进入物质发生的一些过程，由于这些过程入射粒子的能量和（或）方向发生了变化，或者粒子被吸收了。相互作用后，可能发射一个或多个次级粒子。 带电粒子和不带电粒子在物质中穿行的路径上发生相互作用事件具有随机的性质。电离过程实际上也是不连续的，每一次相互作用所转移的能量以及与下一次相互作用之间的距离会是不相等的。这种过程的结果服从统计的规律。对于我们后面要讨论的问题，涉及大量粒子的行为可以按照连续过程来考虑，相互作用的结果是大量结果的平均值。,基本概念,截面 各种相互作用都可以形象地看成是入射粒子以整个原子，或者是其原子核，或者仅是核外的一个束缚电子为“靶体”发生“碰撞”的结果。对于各种随机碰撞过程发生的概率，可以用靶体的截面来描述。截面的定义是： 对于带电粒子和不带电粒子产生的某种相互作用，靶体的截面是P除以所得的商，共中P是粒子注量时，对一个靶体发生该种相互作用的概率。 单位：m2,常用单位是靶恩（b）。 1 b=10-28 m2 粒子注量暂时可以理解为是垂直入射到单位面积上的粒子数。 由于带电粒子与靶体的“碰撞”实际上是电场及磁场的相互作用，其碰撞截面就很大，这些粒子几乎必然要与他

3、们路过的每一个原子发生相互作用。不带电的光子和中子的截面则很小。,重子： 超子：（克西），（西格马），（拉姆达） 核子：n(中子），p（质子） 介子：K介子，介子 轻子：子，电子，中微子 光子：,基本粒子,带电粒子与物质的相互作用,带电粒子与物质相互作用的主要过程,1带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 2带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞 3带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 4带电粒子与靶物质原子中核外电子的弹性碰撞,重带电粒子与物质相互作用的主要过程,线碰撞阻止本领:入射带电粒子在介质中每单位路径长度上电离损失的平均能量， ； 质量碰撞阻止本领：线碰撞阻止本领除以密度物质密度而得的商， 。 对重带电粒子： 电离损失与带电粒子的速度有关,与质量无关； 电离损失与重带电粒子的电荷的平方成正比； 电离损失与物质的电子密度成正比.,化合物的阻止本领,三 带电粒子在物质中的射程重带电粒子,四 比电离,单位径迹长度上产生的离子对数,（1）单位径迹长度上产生的离子对数，称为比电离或电离密度，很大。 例如在空气中电子产生的最大比电离约为770离子对/毫米，而粒子的最大比电离为6600离子对/毫米。

4、（2）粒子的射程很小。 由于能量损失过程的统计性质，起始能量相同的粒子到它完全耗尽能量而停止下来，未必通过正好相等的路程，许多单能粒子的实际平均路程称为射程。,射程的比例定律,粒子在三种物质中的射程(经验公式),电子-beta,电子-beta,过程及特点 辐射是高速运动的电子或正电子，其在物质中运动的轨迹与重带电粒子有很大差异，损失能量的过程也有不同： （1）粒子也主要由于碰撞电离而损失能量最终会完全停止下来（被吸收），但由于它的质量小，与束缚电子的一次碰撞会明显损失能量并改变其运动方向。在与原子核碰撞（概率较小）中，质量小的电子虽然只损失很少份额的能量，但运动方向变化很大，即散射严重。多次散射的结果最后会使散射角90形成“反散射”。物质原子序数越大，反散射的份额越大。因此快速电子在物质中往往穿过较长的路程，且路径非常曲折，而粒子几乎是直线前进的。,轫致辐射,在辐射防护中，我们关心的是带电粒子产生轫致辐射的份额。当一个能量为E的电子与原子序数为Z的物质作用时，如果电子的能量被物质吸收，其初始能量转换为轫致辐射的份额为： F=KZE E的单位为兆电子伏特，K为比例常数。,电子-beta,

5、（2）由于电子质量小，速度大，带电粒子与物质相互作用的辐射损失变得不可忽略了。带电粒子由于原子核或原子的电磁相互作用受到阻滞并发生散射时，会以电磁辐射形式损失能量。这种辐射称为轫致辐射，单位路程上由轫致辐射损失的能量称为辐射能量损失率。类似于碰撞能量损失率称为物质的线碰撞阻止本领，对于一个能量为E的带电粒子穿行dl距离，辐射损失的能量为dE，则称为物质的线辐射阻止本领。 辐射能量损失率与带电粒子静止质量的平方成反比，因而对于核衰变放出的带电粒子只有质量很小的电子才需要考虑辐射损失，重带电粒子的轫致辐射可忽略。辐射能量损失率与物质的原子序数Z的平方成正比，碰撞电离能量损失则正比于Z，因此用重物质（例如铅）阻挡高能辐射时，会产生较多的轫致辐射。吸收电子宜首先选用轻物质，如果需要，把重物质放在后面吸收前面产生的轫致辐射。辐射能量损失率随带电粒子的动能的增大而增加。但碰撞能量损失率在电子能量较大时就不变了，因此对于能量很高的电子（例如10MeV以上），辐射能量损失可能成为主要的。两者之比例可用下式估计： 式中：E是电子能量，以MeV为单位，Z是物质原子序数。,电子-beta,（3）正电子（+）

6、损失全部动能后与附近原子的电子相互作用而“湮没”，转化为两个光子。正负电子对湮没时放出的光子称为湮没辐射。电子对的静止质量变为光子的能量，两个相背方向射出的光子各具有0.511MeV能量。,电子-beta,粒子的最大射程 对于粒子或正电子，也有一个依赖于辐射能量和物质原子的有限透射射程。但因电子容易被散射偏转，甚至有可能发生180反散射，因此透过吸收体的粒子数不仅取决于因电离而消耗在吸收体内的能量，而且取决于散射的程度。这样就不可能建立一个简单的数学表示式来描述粒子的吸收。况且辐射是连续谱，就使得吸收曲线更加复杂化。 射程的概念虽不适用于描述单能电子或辐射，一个替代的方法是使用最大射程。最大射程Rmax的定义是透射束减到零时的物质厚度。实际上是减弱到“测不到水平”的吸收体厚度。由于“测不到水平”依赖于测量装置，故Rmax通常无法加以精确确定。,带电粒子在物质中的射程电子和射线,电子-beta,辐射在铝吸收体中的最大射程Rmax,Al 与粒子最大能量E之间的关系可用下面经验公式表示：,0.15MeVE0.8MeV,式中，Rmax,Al以g/cm2表示，E用MeV为单位。,0.8MeVE3

7、MeV,电子-beta,电子-beta,非带电粒子与物质的相互作用,射线与物质的相互作用,射线与物质的相互作用,一 光电效应,射线与物质的相互作用,康普顿效应：当入射光子受结合松散的轨道电子散射时，轨道电子获得光子的一部分能量而被释放出来，称之为反冲电子，而降低了能量的光子称之为散射光子。,一 康普顿效应,射线与物质的相互作用,射线与物质的相互作用,电子对效应,四 其他过程,相干散射 光核反应,射线与物质的相互作用,对光子衰减起主要作用的是光电效应、康普顿 效应和电子对生成。低能光子的光电效应截面 与光子能量的三次方成反比，随着光子能量的 降低而急剧增大。对低能光子，光电效应占优 势。 康普顿散射截面随光子能量的增加而缓慢变小， 在中能区该效应起主导作用。在高能区，康普 顿散射截面按ln(hv)/hv的规律变小。 电子对生成的截面随光子能量的增加而增大， 与光子能量的对数成正比。当光子能量大于 几十MeV时，反应截面达到平衡值。在高能区 电子对生成占优势。 三种效应对原子序数Z的依赖关系互不相同。 康普顿散射的原子截面与Z成正比；而光电效 应和电子对生成的截面分别与Z5和Z2成正比。,质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数,五质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数,质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数,思考题,1、什么是电离辐射？哪些辐射是电离辐射？哪些辐射是非电离辐射？ 2、为什么不带电粒子也能使原子电离？ 3、带电粒子与物质相互作用的主要过程是什么？ 4、“线电子碰撞阻止本领Sel是电子在物质中穿行单位路程平均的能量损失率”，对吗？为什么？ 5、为什么对粒子使用“射程”，而单能电子和辐射只适用“最大射程”概念？ 6、X、辐射与物质相互作用的三种主要过程是什么？发生每种过程的概率与光子能量有何关系？,

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