射线与物质的相互作用201104copy

1、第二章 射线与物质的相互作用,为何要研究射线与物质的相互作用,射线如何对机体造成危害? 如何探测粒子或射线? 射线经过介质的行为?,射线与物质的相互作用是辐射探测的基础，也是射线危害和认识微观世界的基础理论。,带电粒子与物质的相互作用 伽马射线与物质的相互作用,带电粒子与物质的相互作用 电离（ionization） 激发（excitation） 散射（scattering） 轫致辐射（bremsstrahlung） 吸收（absorption）,威尔逊云室中见到的 粒子的径迹图,带电粒子与物质的相互作用-Alpha,电离和激发 运动轨迹为直线 穿透能力很弱，空气中的射程为几厘米,带电粒子与物质的相互作用,（1）带电粒子能量损失方式一 电离损失 （2）带电粒子能量损失方式二 辐射损失,电离 入射带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。产生了电子和正离子。,激发 带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃

2、迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。 处于激发态的原子是不稳定的，它要自发地跳回到原来的基态。,能量损失率,比电离,单位路程上产生的离子对总数称为比电离。 P.23 图2-1-1,Alpha衰变（射程）,射程 在空气中的射程只有几厘米，在15度、一个标准大气压下 R（厘米）0.56E (当E小于4 MeV) 0.318E3/2 (当E大于4MeV 且小于 7 MeV),Beta衰变,性质 比电离 阻止本领 韧致辐射 射程 指数式的粒子吸收,Beta衰变（性质）,放射性核素的核里有一个中子转变为一个质子，并放出粒子。 粒子是高速运动的电子流（正电子和电子）。 平均能量 能量是不连续的，平均能量大约是1/3E最大，正电子大约是0.4 3E最大 沿折线径迹运动(散射很大),典型的能谱,Beta衰变（性质）,Beta衰变（比电离）,比电离 在空气中的W34 eV/离子对,比电离 比电离值随粒子损失 能量而逐渐增加，最后比 电离达到一个峰值，当粒 子能量全部损失时下降为 零。,Beta衰变（比电离）,电子的平均比电离为： 比电离=形成的离子对数目射程长度 EeWR 离子对厘米 近似关系式

3、： 比电离33+63E最大0.9,Beta衰变,阻止本领 N介质中的原子数目厘米3， B原子阻止数。,电子与吸收物质的原子核之间相互作用。电子的某些能量也可以在物质中产生X射线的形式释放。这种X射线称为韧致辐射。 电子能量低于1 MeV 时，不足以发生韧致辐射作用。 每个原子的总韧致辐射大致正比于（Zm）2,Beta衰变(韧致辐射),带电粒子能量损失方式之二辐射损失,入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随发射电磁辐射-轫致辐射(bremsstrahlung).它是X射线的一种，具有连续的能量分布。,轫致辐射（bremsstrahlung）,带电粒子与被通过的介质原子核相互作用，带电粒子突然减速，一部分动能转变为电磁辐射释放出来。 这种作用随粒子的能量增加而增大。 与粒子的质量平方成反比。 与介质的原子序数Z的平方成正比。,Beta衰变(韧致辐射) 1.对于电子束入射到厚靶上，电子初始能量转化 为X射线的部分近似为： F 710-4 ZKk 2.对于Beta射线源，Beta粒子转化为X射线部分近 似为： F 3.3310-4 ZK最大,Beta衰变

4、(射程),对电子的阻止本领随吸收体原子序数Z的增加而减少。 因散射而使真实路程增加（大约为1.2-1.4倍直线路程） 电子的射程通常用质量厚度表示： d(厘米）p（毫克厘米3）R射程（毫克厘米2 ）,Katz和Penfold公式： R412E1.265-0.09541 lnE (E大于0.01且小于2.5 MeV) R530E106 （E大于2.5 MeV）,指数式的Beta粒子吸收,Beta吸收服从指数规律，公式如下： 吸收系数 d吸收物质的厚度,指数式的Beta粒子吸收 用质量吸收系数表示（重点） 绝大部分物质的质量吸收系数可表示为：,Beta 电离，激发，韧致辐射，散射 运动轨迹为折线 穿透能力较大,散射 散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。 弹性散射作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。 非弹性散射,放射性物质层的自吸收,饱和强度 饱和层厚度,Gamma 与物质的相互作用,性质 与物质的相互作用 光电效应 康普顿效应 电子对效应 X和射线的吸收 质量能量吸收系数,伽马射线与物质的相互作用,三种作用形式 光电，康普顿，

5、电子对 衰减规律 线衰减系数，质量衰减系数,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,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,光电效应,作用机制 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。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线,截面,伽马射线与物质发生上术三种相互作用都具有一定的概率，用物理量来表示作用概率的大小。 截面r的定义：一个入射光子与单位面积一个原子发生作用的概率，其量纲为面积，常用单位为“巴 b” 1b=110-24 cm2 =110-28 m2,光电吸收截面,康普顿效应,伽玛射线能量大于100keV产生康普顿效应，对于中能的光子和低原子序数的吸收物质，康普顿效应占优势。,康普顿效应,入射光子与核外电子的非弹性碰撞。光子的部分能量交给电子，使电子从原子中发射出来，光子的能量和方向发生变化。,康普顿效应-注意的问题,散射光子和康普顿电子的能量 公式2-2-6，2-2-7，2-2-

6、8 作用截面和康普顿电子的角分布（图2-2-5） 康普顿电子的能量分布 （能量连续分布）,散射光子波长的变化： 100.0212（1cos） 注意：散射光子波长的变化并不依赖于入射光子的能量。 在200keV3.0MeV范围，康普顿效应是重要的。,康普顿效应,入射光子、散射光子和反冲电子的能量、动量守恒 散射光子波长的变化并不依赖于入射光子的能量，散射截面与原子序数Z成正比,电子对效应 能量1.02 MeV 的射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量 M = E /C2,电子对效应截面,K=c1 Z2 (Er -1.022),总截面,P.31 公式2-2-15 =ph+c+p,三种效应的相互关系,P.32 图2-2-7 低能、高原子序数 中能、低原子序数 高能、高原子序数,4 正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e- + me+ + me - = 0.511

7、 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,伽马射线的吸收衰减规律,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,I(x)= I0 e-x,厚 度 X,I0,射线的吸收,I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律。,线性衰减系数，其量纲为长度的倒数， 单位常用 。它表示射线穿过单位 长度距离后，因相互作用，其光子数减 少的分数值。,射线入射强度；其单位为,吸收物质厚度；单位常用cm；,射线穿过屏蔽物为x后的射线强度；,；,Gamma(X)线的吸收 单能窄束射线的衰减规律 （重点） II0 e-x I起始射线强度； I0通过吸收介质dx后的射线强度； 线性衰减系数，cm-1。 线性衰减系数: =+,指数衰减规律,指数衰减因子 线性吸收系数 1）射线能量高 值小 2） 原子序数高 值大,I(x)= I0 e-x,铅和铝吸收系数,定义：质量衰减系数。它表示射线穿过单位质量厚度后，因相互作用，它的光子数减少的分数值：,相应质量厚度表示为：,质量衰减系数与 即物质状态无关。,用质量厚度表示

8、的优点是便于测量，与周围环境温度、气压等无关。得到吸收规律的另一种更常用的表达式：,对上方程改写，可以得到 为质量厚度,上式为指数型工业核仪表的原理函数。,指数型工业核仪表主要包括厚度计，密度计及质量计（核子秤）。此三者都是利用介质对辐射的衰减来测定介质参数。,半吸收厚度,d1/2= 0.693/,重点,三种作用的综合结果 与入射线光子能量的关系 与介质有效原子序数的关系 比较：铅和铝的质量衰减曲线,质量衰减系数 m=/=(+)/ m质量衰减系数，cm2/g; 介质密度，g/cm3。 对于化合物，（）ii,线衰减系数与质量衰减系数,与射线能量有关 与物质单位体积内的原子数有关，即与吸收物质的密度有关,非窄束伽马射线的衰减规律,B(x, Er)称为积累因子。,I(x)= B(x, Er )I0 e-x,中子与物质的相互作用,阅读理解内容,一、 中子与物质的相互作用 中子不带电，它通过物质时不能直接引起物质的电离。 （一） 散射 中子与物质作用后，射出的粒子仍然是中子。 弹性散射 非弹性散射,宇宙射线与物质作用,阅读理解内容,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,射线与物质相互作用原理的应用,辐射防护屏蔽的设计与计算 工业核仪器仪表 辐射成像,辐射防护屏蔽的设计与计算,室内伽马谱仪的低本底铅室 结构： 厚度： 反应堆的屏蔽,射线与物质相互作用,放射性同位素在工业上的应用非常广泛，主要是利用射线与物质相互作用特点及射线本身特点： 利用放射性同位素发出的各种射线与物质相互作用的各种效应可制成各种检测、控制、计量、分析核仪表（如测厚仪、料位计、核子秤、核子湿密度仪等）； 利用射线与不同物质相互作用的差别可进行地质探矿（测井仪）； 利用射线具有穿透性的特点制成工业射线探伤机； 利用射线在物质上的散射，可以制成薄膜厚度的测量等等。 所以，放射性同位素可用于工业生产、控制、加工、计量、检测等各个环节。它可使工业生产连续化、自动化，还可提高产品质量、减少原材料消耗、节省能源和时间、提高工作效率、减轻劳动强度。,谢 谢,

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