第五章射線與物質(zhì)相互作用

1、 第五章 射線/輻射與 物質(zhì)的相互作用西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第五章 射線/輻射與物質(zhì)的相互作用5.1 輻射與物質(zhì)相互作用概述輻射與物質(zhì)相互作用概述5.2 重帶電粒子與物質(zhì)相互作用重帶電粒子與物質(zhì)相互作用5.3 射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用5.4 /X 射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用5.5 中子中子與物質(zhì)相互作用與物質(zhì)相互作用5.1 輻射與物質(zhì)相互作用概述輻射與物質(zhì)相互作用概述 一常用的核輻射類型及特征二致電離輻射的種類三輻射與物質(zhì)相互作用種類四 彈性碰撞和非彈性碰撞五. 帶電粒子在物質(zhì)中的慢化輻射：指以波或粒子的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)射，并在其中

2、傳播的能量（如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等）的統(tǒng)稱。輻射分類：物體受熱向周圍介質(zhì)發(fā)射熱量叫做熱輻射；受激原子退激時(shí)發(fā)射的紫外線或X射線叫做原子輻射原子輻射；不穩(wěn)定的原子核發(fā)生衰變時(shí)發(fā)射出的微觀粒子叫做原子核輻射核輻射，簡(jiǎn)稱核輻射。通常論及的“輻射”概念是狹義的，僅指高能電磁輻射和粒子輻射。這種狹義的“輻射”又稱“射線”。 核輻射粒子類型：就其荷電性質(zhì)可以分為帶電粒子和非帶電粒子；就其質(zhì)量而言，可以分為輕粒子和重粒子；以及處于不同能區(qū)的電磁輻射。主要有輻射、 輻射、 輻射和 中子輻射等。一一 常用的核輻射類型及特征（致）電離輻射：（致）電離輻射：電離是從一個(gè)原子、分子或其它束縛態(tài)放出一個(gè)

3、或幾個(gè)電子的過程；（致）電離輻射就是通過與物質(zhì)相互作用能夠直接或間接地使物質(zhì)的原子、分子電離的輻射。不同原子的電離需要的能量不同。電離輻射截止能量：一種輻射 在某種介質(zhì)中可能是致電離輻射，在另一種介質(zhì)中可能不是，因此電離輻射的范圍，應(yīng)選一截止能量，在此能量之下可認(rèn)為輻射是非電離的；而截止能量的選取依情況而定，如對(duì)于放射生物學(xué)適用的值約為10eV。以此為界，遠(yuǎn)紫外輻射以及波長(zhǎng)更大的紫外光、可見光、無線電波等輻射都屬于非電離輻射；而、等所有的核輻射都屬于電離輻射。這些核輻射與物質(zhì)相互作用結(jié)果都是電離，以后轉(zhuǎn)化為熱。各種輻射之間的區(qū)別，不在于他們的產(chǎn)物，而在于其電離分布。二致電離輻射的種類帶電粒子輻

4、射( , ,)p df重帶電粒子輻射(,)e快速電子非帶電粒子輻射( , ,)x電磁輻射中子 致電離輻射：能量大于10eV量級(jí)的射線。二致電離輻射的種類輻射輻射/射線與物質(zhì)相互作用：射線與物質(zhì)相互作用：是輻射進(jìn)入物質(zhì)發(fā)生的一些過程，在此過程中入射粒子的能量和（或）方向發(fā)生了變化，或者粒子被吸收了。相互作用后，可能發(fā)射一個(gè)或多個(gè)次級(jí)粒子。入射粒子的電荷、質(zhì)量、能量不同，發(fā)生作用的相互作用過程不同。 帶電粒子可以通過與物質(zhì)原子（核）的電磁場(chǎng)與之發(fā)生相互作用（庫侖力），將能量傳遞給物質(zhì)，使原子直接電離。不帶電粒子（光子、中子）不能直接是原子電離，它們的相互作用中首先將能量轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子，這些次級(jí)

5、帶電粒子再產(chǎn)生電離，因此，不帶電粒子是間接電離粒子。 三輻射與物質(zhì)相互作用種類表表直接電離間接電離致電離輻射三輻射與物質(zhì)相互作用種類 輻射與物質(zhì)相互作用是核物理、高能物理實(shí)驗(yàn)、核輻射探測(cè)器以及核技術(shù)及應(yīng)用的基礎(chǔ)。只有當(dāng)輻射穿過物質(zhì)并和物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)才會(huì)留下有關(guān)輻射的種類、能量和強(qiáng)度等信息。三輻射與物質(zhì)相互作用種類 相互作用過程中，滿足能量守恒：222211112222mvMVmvMVE 當(dāng)E = 0時(shí)，彈性碰撞； 當(dāng)E 0時(shí)，非彈性碰撞； E 0時(shí)，與基態(tài)原子碰撞，原子被激發(fā)； E 2的所有失去部分電子的原子（正離子態(tài)）或過剩電子的原子（負(fù)離子態(tài)）。能量損失率/阻止本領(lǐng)： 入射帶電粒子在物

6、質(zhì)中經(jīng)過單位路程損失的能量。或者稱為物質(zhì)能量的對(duì)帶電粒子的阻止本領(lǐng)，dESdx 包括：電離損失率，輻射損失率、核碰撞能量損失率（核阻止本領(lǐng)）。ionradndEdEdEdEdxdxdxdx 即：假設(shè)： 入射粒子與“自由電子”發(fā)生碰撞； 入射粒子與“靜止”電子發(fā)生碰撞； 入射粒子的電荷態(tài)是確定的。Pft在時(shí)間t內(nèi)傳給電子的動(dòng)量，Pf dt因此，在全部相互作用中，傳給電子的總動(dòng)量，222()zeezefrr 距離入射帶電粒子r的電子受到庫侖力，一電離損失率2301.4ybze bffrrdxdtv由于， x方向的動(dòng)量分量為零。yyPPfdtv近似看作常數(shù)，則有:222322 3/20001112.

7、44()4zebdxzebdxzePvrvxbbv 碰撞參數(shù)為b的電子獲得的動(dòng)能，224222012() .24beePz eEmm v b一電離損失率()2bb dbbdEb db dx NZE 入射粒子經(jīng)過dx距離，碰撞參數(shù)為bb+db范圍內(nèi)的電子得到的能量為，maxmin2422014() .4bbionedEz e NZdbdxm v b 入射粒子在單位距離內(nèi)損失的能量，242max20min14() .ln4ebz e NZm vb一電離損失率因重離子能量損失為一有限值，因此bmin、 bmax不可能為零，也不可能為無窮大。一電離損失率 顯然，碰撞參數(shù)b越小，碰撞中電子獲得的能量越多

8、，根據(jù)經(jīng)典碰撞理論，重離子與電子對(duì)心碰撞時(shí)，電子獲得的能量最大，約為2mev2。因此，當(dāng)b=bmin時(shí)， （Eb）min= 2mev2242220min12() .4ez em v b 所以：2min201.4ezebm v而上限bmax對(duì)應(yīng)電子獲得最小能量的閾值，可由電子在原子中的結(jié)合能來確定。因與帶電粒子碰撞的電子不是自由電子，是核外束縛電子，帶電粒子與電子的碰撞是非彈性碰撞，即電子只能從帶電粒子處接受大于其激發(fā)能級(jí)的能量。引入一個(gè)參數(shù)I平均激發(fā)能，即對(duì)靶原子中個(gè)殼層電子的激發(fā)能和電離能求平均。在上述碰撞過程中，電子獲得的能量至少為I，即（Eb）maxI。1 22max012.4ezebv

9、m I即：bmax對(duì)應(yīng)電子獲得的最小能量，需大于靶原子的平均激發(fā)能I ，所以：一電離損失率1 2224220214() .ln4eionem vdEz e NZdxm vI將bmin對(duì)、bmax代入得：而從量子理論推導(dǎo)出的非相對(duì)論下的公式為：一電離損失率224220214() .ln4eionem vdEz e NZdxm vI與上式相比，僅在對(duì)數(shù)項(xiàng)上有差別。進(jìn)一步考慮相對(duì)論及其它修正因子，推導(dǎo)出來的重帶電粒子電力能量損失率的精確表達(dá)式稱為Bethe-Block公式。Bethe-Block公式：22()io nio nd EzN ZSvd xv242220214( )() .lnln(1( /

10、 ) )( / )42eem vevc vc vmI一電離損失率式中：me，e電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v入射重帶電粒子的電荷數(shù)與速度； v /c，c光速；Z 、N 分別為靶介質(zhì)的原子序數(shù)及其單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I靶介質(zhì)原子的平均激發(fā)和電離電位，取決于靶介質(zhì)物質(zhì)的性質(zhì)，一般 由實(shí)驗(yàn)來確定，可近似描述為I=16Z0.9eV(Z1) 或I=I0Z, I010eV左右* ；密度效應(yīng)修正系數(shù)。公式適用條件：適用于帶電粒子速度大于大于介質(zhì)原子中電子軌道運(yùn)動(dòng)速度的各種帶電粒子。而對(duì)能量很低的粒子，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)速度與原子中電子的速度想當(dāng)時(shí)，公式不再適用。* 注：清華大學(xué)工程物理系編核輻射及探測(cè)學(xué)，

11、清華大學(xué)教材，2010. 王曉蓮，李澄，邵明，等編粒子探測(cè)技術(shù)，中國科技大學(xué)出版社，2009.幾點(diǎn)討論：例如，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，只與電荷與速度有關(guān)。1200( )( )mmSvSv2、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，例如，相同速度的p與，S=4Sp 。一電離損失率11220022( )( )mmzSvSvz3、S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比，SNZ一電離損失率一電離損失率4、S與v2的關(guān)系 a段： v2很小（E/n500I) ， S 1/v2阻止本領(lǐng)近似有1/E的形式，即阻止本領(lǐng)隨入射粒子的能量增加而減小，在該能區(qū)相對(duì)論效應(yīng)很小，對(duì)

12、數(shù)因子變化不大。 在該段區(qū)域可以理解為帶電粒子的速度越慢，掠過電子附近時(shí)的作用時(shí)間越長(zhǎng)，電子獲得的動(dòng)量也就越大，因此，入射粒子的能量損失也越大。一電離損失率c段：v2較大(mc2E/n500I)，對(duì)應(yīng)的入射粒子能量較高，Bethe公式中對(duì)數(shù)因子和相對(duì)論修正項(xiàng)起作用，使Sion上升；極小值出現(xiàn)在3mc2附近。 一電離損失率Bragg曲線：帶電粒子的能量損失率（或稱作“比能損失”）沿其徑跡的變化曲線稱為Bragg曲線初始能量為幾MeV 的 粒子在徑跡的絕大部分區(qū)域中， 粒子的電荷數(shù)為2，必能損失出略地反比于粒子能量，Bragg曲線隨穿透距離（能量下降）的增大而上升。接近徑跡末端， 粒子能量已很低，

13、 Bragg曲線下降，直至零。圖中單個(gè)粒子的徑跡曲線和初始能量相同的平行粒子束的平均特性曲線的差異是由于單能粒子束在介質(zhì)中的“能量歧離”造成的。二重帶電粒子的射程能量岐離：由于各入射帶電粒子與物質(zhì)的微觀相互作用是隨機(jī)性的，因而其能量損失是一隨機(jī)過程。能量損失率計(jì)算公式只是此過程的平均值的描述。實(shí)際上，同樣能量的入射粒子經(jīng)過一段距離后，各個(gè)粒子的能量損失不會(huì)是完全相同的。因此，單能粒子穿過一定厚度的物質(zhì)后，將不再是單能的，而是發(fā)生了能量離散稱作“能量歧離”。 離散后的粒子能量分布的寬度可作為“能量歧離”的量度，它隨沿粒子行進(jìn)的距離而改變。單能粒子束在其徑跡各點(diǎn)的能量分布的相對(duì)寬度隨穿透距離增加而

14、變大。能量損失的歧離分布可以用高斯分布來描述。二重帶電粒子的射程二重帶電粒子的射程二重帶電粒子的射程射程R ： 帶電粒子在物質(zhì)中沿初始入射方向穿過的最大距離。路程： 帶電粒子在物質(zhì)中實(shí)際經(jīng)過的軌跡。 對(duì)重帶電粒子，射程=路程； 對(duì)輕帶電粒子，射程1或vc/n時(shí)，才能發(fā)生切倫科夫輻射。 1cosACcABnvn/ACABcnv正粒子與物質(zhì)的相互作用與粒子基本相同。正電子正電子進(jìn)入物質(zhì)后與物質(zhì)發(fā)生相互作用進(jìn)入物質(zhì)后與物質(zhì)發(fā)生相互作用的的能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制和和電子的相同電子的相同。但是，。但是，當(dāng)它的能量與周圍物質(zhì)達(dá)到當(dāng)它的能量與周圍物質(zhì)達(dá)到熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)，將與物質(zhì)中電子發(fā)生湮沒。一對(duì)電子的

15、將與物質(zhì)中電子發(fā)生湮沒。一對(duì)電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)湮沒光子（又靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)湮沒光子（又稱湮稱湮沒輻射沒輻射）的能量。）的能量。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率 (100 %） 5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5) 5) 射線與物質(zhì)的衰減和射程射線與物質(zhì)的衰減和射程5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射

16、線與物質(zhì)的相互作用粒子在物質(zhì)中衰減粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過的厚度。半所經(jīng)過的厚度。0121ln22IID時(shí)，粒子經(jīng)過粒子經(jīng)過10倍半吸收厚度，剩余倍半吸收厚度，剩余1/1024。小。小 于于1/1000，故將，故將10倍半吸收厚度定義為倍半吸收厚度定義為粒子粒子 的射程。的射程。射程單位：射程單位：cm，g/cm25) 射線與物質(zhì)的衰減射線與物質(zhì)的衰減5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 由于電子易受到散射而改變方向，因此，很薄的吸收體就能使被測(cè)電子束失掉一些電子。由此造成透射過吸收片的電子數(shù)與吸收體厚度的關(guān)系曲線從

17、開始就下降。當(dāng)吸收體厚度足夠大時(shí)此曲線趨近于零。一般將吸收曲線的線性部分外推到零而得到外推射程，也可以將吸收曲線的為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的吸收體厚度定義為平均射程。 射線不同于單能電子，由于射線能譜連續(xù)分布，低能粒子在薄吸收體中就迅速被吸收，因此投射曲線初始部分的衰減快得多，曾近似指數(shù)衰減形式。 5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用電子的吸收曲線：?jiǎn)文茈娮?，近似線性；源，厚度t比最大射程小很多時(shí)，近似指數(shù)衰減， I=I0e-te由于散射嚴(yán)重，不確切。常用外推射程表示單能電子的穿透能力；用最大射程表示源的穿透能力。bmmmmaERbaER5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)

18、的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用相同物質(zhì)相同物質(zhì),相同速度相同速度22221121zmzmRR5.3 5.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用5.4 /X射線與物質(zhì)的相互作用 光子不帶電； 光子與電子或原子核存在電磁相互作用， 在一次作用中損失全部能量或大部分能量。 射線是能量很高的電磁波，具有波粒二象性。 一光電效應(yīng) 二康普頓散射 三電子對(duì)效應(yīng) 四 射線的吸收5.4 /X射線與物質(zhì)的相

19、互作用特點(diǎn)概述： 光子（包括X射線和射線）是非帶電粒子，他不能像帶電粒子那樣與原子作用產(chǎn)生電離、激發(fā)而不斷地?fù)p失能量。光子與物質(zhì)的相互作用是一種單次性的隨機(jī)事件。就各個(gè)光子而言，他們穿過物質(zhì)時(shí)只有兩種可能：要么發(fā)生作用后消失或轉(zhuǎn)換成另一種能量與運(yùn)動(dòng)方向的光子，要么不發(fā)生任何相互作用而穿過物質(zhì)。一旦發(fā)生作用，入射光子的全部或部分能量就轉(zhuǎn)化為所產(chǎn)生的次級(jí)電子的能量。 大量入射光子的宏觀效果是光子穿過有限厚度的介質(zhì)后必有一部分光子消失，但仍有一部分毫無變化的穿過。因此，射程也最大吸收厚度對(duì)光子是沒有意義的。光子與物質(zhì)發(fā)生 作用的可能性，用概率描述，大小用反應(yīng)截面表示。5.4 /X射線與物質(zhì)的相互作用

20、5.4 /X射線與物質(zhì)的相互作用光子與物質(zhì)相互作用機(jī)制： 光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對(duì)效應(yīng)、湯姆遜散射、瑞利散射。 在前三種作用機(jī)制中，入射光子的部分或全部能量轉(zhuǎn)換成次級(jí)電子能量，同時(shí)入射光子或者完全消失，或者被散射成另一種能量和方向的光子。 后兩種作用過程可以看成光子的幾乎沒有明顯的能量轉(zhuǎn)移，不作詳細(xì)討論。兩步過程兩步過程三種作用效應(yīng)三種作用效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 產(chǎn)生次級(jí)電子產(chǎn)生次級(jí)電子電離效應(yīng)電離效應(yīng)次級(jí)電子使次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離物質(zhì)原子電離/X射線射線第 1 步初級(jí)作用第 2 步次級(jí)作用/X射線對(duì)物質(zhì)的電離作用5.4 /X射線與物質(zhì)的相互作

21、用自由電子自由電子原子原子受激原子受激原子 一光電效應(yīng)1)1)作用機(jī)制作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動(dòng)能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。 一光電效應(yīng) + A A* + e- （光電子） 原子 (1)A + X 射線 或 (2)A +e-(俄歇電子) 一光電效應(yīng)入射光子的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應(yīng)。光子與自由電子（不存在+e e的反應(yīng)）不能發(fā)生光電效應(yīng)，只有原子核參加反應(yīng)，才能滿足動(dòng)量守恒。K層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大、L層次之、M層更小。實(shí)際上，80得光電效應(yīng)發(fā)生在與K層電子得作用上。光電效應(yīng)伴隨著特征X射線或俄

22、歇電子的發(fā)射。發(fā)射光電子后，靶原子由于內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)態(tài)。2）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：2hmchmcmvc一光電效應(yīng)入射入射射線光電子特征射線光電子特征X射線射線 處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過兩種方式退激：處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過兩種方式退激：外層電外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復(fù)到較低的能子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復(fù)到較低的能量狀態(tài)，躍遷過程中，放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)量狀態(tài)，躍遷過程中，放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差。電子殼層的結(jié)合能之差。)11()(21222nnZRhCEnx2）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：一光電效應(yīng)殼層電子在躍遷過程中不發(fā)射特殼層電子在

23、躍遷過程中不發(fā)射特征征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外殼層電子，使它從原子中發(fā)一外殼層電子，使它從原子中發(fā)射出來。射出來。俄歇電子俄歇電子 電子躍遷過程中釋放的電磁輻射是一種電子躍遷過程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由于其射線。由于其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來說，都是特能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來說，都是特征的，故稱其為征的，故稱其為“特征特征X射線射線”。2）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：一光電效應(yīng)3）光電子的能量：通常，ih所以，eEh一光電效應(yīng)一個(gè)入射光子與電位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率。 光電效應(yīng)截面與入射光子能量核靶物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)?？傮w而言，光電

24、截面隨光子的能量增加而減小，隨物質(zhì)原子序數(shù)的增大而急劇增大。一光電效應(yīng)光電截面ph的主要特征20hm c7 2245032Kphthm cZh當(dāng)20hm c24501.5Kphthm cZh當(dāng)其中， =1/1375KphZ7 21()()Kphhh一光電效應(yīng)總光電截面ph ：KLMphphphph 光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層上：45Kp hp h一光電效應(yīng)由于 ，即原子序數(shù)Z越大的原子，電子在原子中束縛越緊，也容易使原子參與光電過程以滿足能量和動(dòng)量守恒，因此使產(chǎn)生的光電效應(yīng)截面越大。由此，通常選用高Z材料做探測(cè)器以獲得對(duì)光子較高的探測(cè)效率。也選用高Z材料作為光子的屏蔽材料。另外k層的光電截面隨光

25、子能量增加而減小，低能比高能時(shí)減小的要快一些。5KphZ一光電效應(yīng)圖：原子的光電效應(yīng)截面隨 光子能量的變化 圖示光電效應(yīng)截面隨光子能量的增加而減小。在hv 0 的射線.二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果04590135（相對(duì)強(qiáng)度）（相對(duì)強(qiáng)度）（波長(zhǎng)）（波長(zhǎng)）I 1 波長(zhǎng)的偏移波長(zhǎng)的偏移( ) 與與散射角有關(guān)散射角有關(guān).0 2 與散射與散射物體無關(guān)物體無關(guān).00二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) ( (1) )入射入射光子光子與散射物質(zhì)中束縛微弱的與散射物質(zhì)中束縛微弱的電電子子彈性彈性碰撞碰撞時(shí)，一部分能量傳給

26、電子，散射時(shí)，一部分能量傳給電子，散射光子光子能量減少能量減少，頻率下降、，頻率下降、波長(zhǎng)變大波長(zhǎng)變大。定性分析定性分析 ( (2) )光子光子與原子中束縛很緊的電子發(fā)生與原子中束縛很緊的電子發(fā)生碰撞，近似與整個(gè)碰撞，近似與整個(gè)原子原子發(fā)生彈性發(fā)生彈性碰撞碰撞時(shí)，時(shí)，能量不會(huì)顯著減小，所以散射束中出現(xiàn)與能量不會(huì)顯著減小，所以散射束中出現(xiàn)與入射光入射光波長(zhǎng)相同波長(zhǎng)相同的射線。的射線。康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng): :入射光子與原子的核外電子發(fā)生碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來（康普頓電子），而光子的運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生了變化，成為散射光子（繼續(xù)在靶材料中行進(jìn)）的現(xiàn)象。 康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)

27、的不同之處主要有兩點(diǎn)，一是康普頓效應(yīng)中反沖電子只獲得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普頓效應(yīng)發(fā)生在外層電子上，而光電效應(yīng)主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上。 二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 散射光子，散射角 ； 反沖電子，反沖角 。與原子外層電子的散射， “自由電子”； 光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，光子的能量和方向發(fā)生改變。軌道電子速度遠(yuǎn)小于光速， “靜止電子”。 散射光子還可繼續(xù)發(fā)生Compton散射和光電效應(yīng)。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)1、能量與角度關(guān)系未知數(shù)：h，Ee ， ， 。根據(jù)能量守恒：220021m chm ch02

28、coscos1mchhcc根據(jù)動(dòng)量守恒：02sinsin1mchc聯(lián)解得到康普頓移動(dòng)：220(1cos )hhhm c解得：201(1cos )hhhm c201(1cos )ehEhhm ch2012hctgtgm c二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)2、幾點(diǎn)討論、幾點(diǎn)討論(1) 散射光子和反沖電子的能量是連續(xù)的。 大，Ee大，h??； 小，Ee小，h大。(2) 幾種特殊情況： =0，h=h ； =，h= (h)min ；二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)當(dāng) =180時(shí)，入射光子與電子對(duì)頭碰撞，沿相反方向散射過來，而反沖電子則沿入射光子方向飛出，這種情況稱為反散射。這時(shí)散射光子能量最?。?即當(dāng)入射光子

29、能量很高時(shí)， 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)min2112121140.511ehvhvhvmchvhv(3) 散射角與反沖角存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。(4) 當(dāng)h m0c2時(shí)，Ee h 。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)2012hctgtgm c3、康普頓散射截面和角分布cdd( )cdd( )cdd222011cos1(1cos )2cdZrd 222(1cos )(1cos)1(1cos )Klein-Nishina公式：二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng))(,ddec二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)散射光子角分布 ：指一個(gè)入射光子入射到單位面積只包含

30、一個(gè)電子的介質(zhì)上時(shí)，散射光子落在方向單位弧度立體角內(nèi)的概率。能量較高的入射光子有強(qiáng)烈的向前散射趨勢(shì)，而能量較低的入射光子向前和向后散射的概率相當(dāng)。)(,ddec二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)單個(gè)電子的康普頓散射總截面：, c eceddd, c eceddd整個(gè)原子的康普頓散射總截面：在入射光子能量比原子中電子的最大結(jié)合能大得多時(shí)，即使原子的內(nèi)層電子也可以看成是 “ 自由的”，也能與入射光子發(fā)生彈性碰撞。因此整個(gè)原子的康普頓散射總截面將是它與各個(gè)電子的康普頓散射截面之和。即：cceZ二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)（1）當(dāng)h m0c2時(shí)，22002021ln2cm chZrhm c即當(dāng)入射光子能

31、量較高時(shí)， c仍與Z成正比，但近似地與入射光子能量成反比，隨光子能量的增加而減小。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)當(dāng)入射光子能量增加時(shí)，康普頓散射截面呈下降趨勢(shì)，但其下降速度比光電截面要慢。4、反沖電子角分布和能量分布2 sin2 sineedddddd 由反沖電子能量和方向與散射光子能量和方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到：sinsineedddddd 由此得到反沖電子微分截面與散射光子微分截面的關(guān)系： 可以由散射光子微分截面求得反沖電子微分截面。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)反沖電子角分布：2 sineeddd eddd2 sineeedddd二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)反沖電子能量分布：0Ee

32、max，其分布可用反沖電子的能量微分截面描述，表示反沖電子的能量落在Ee處單位能量間隔內(nèi)的概率，即反沖電子能譜：2,0222022202.2 sin.()2()1. 2() .()c ec ec ec eeeeeeeeeeddddm cdddEddEddEhvEdrEhvEhvEm chvEEhv與入射光子能量h相差200keV。（對(duì)應(yīng)的散射光子最小能量200keV）康普頓邊緣：max2012ehEm ch 二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)圖示可以看出，單能入射光子所產(chǎn)生的反沖電子能量是連續(xù)分布的，在較低能量處，反沖電子數(shù)隨能量變化較小，呈平臺(tái)狀，稱康普頓坪。在最大能量Eemax處反沖電子數(shù)目最

33、多，呈現(xiàn)出尖銳的邊界，稱為康普頓沿（Compton edge）。 實(shí)際當(dāng)中，考慮到原子中軌道電子運(yùn)動(dòng)的影響，反沖電子能譜被展寬，向低能方向移動(dòng)，康普頓沿被平滑。二、二、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)的特征： 光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對(duì)。1、能量關(guān)系 從能量守恒：202eehEEm c202hm c電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的條件：20,0(2)eeEEhm c電子動(dòng)能范圍：三電子對(duì)效應(yīng)2、電子對(duì)效應(yīng)必須在有原子核參加（才能滿足能量守恒與動(dòng)量守恒）時(shí)才能發(fā)生。核反沖能量很小忽略。 原子核帶走多余的動(dòng)量，又不帶走過多的動(dòng)能。三電子對(duì)效應(yīng)3、發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)后，入射光子消失，

34、其能量轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子的動(dòng)能。正負(fù)電子獲得的動(dòng)能之和為： ，該能量在正負(fù)電子之間任意分配，因此正負(fù)電子的能量取值范圍： 0202hvm c202hvm c3、 在電子的庫侖場(chǎng)中也可以發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)，即三粒子生成效應(yīng)。由于電子質(zhì)量小，反沖能量大，所以在電子庫侖場(chǎng)中產(chǎn)生的電子對(duì)的最低光子入射能量 三粒子生成效應(yīng)中，光子能量將在所產(chǎn)生的正、負(fù)電子對(duì)和原子電子之間分配，三粒子生成概率遠(yuǎn)小于在核庫侖場(chǎng)中產(chǎn)生電子對(duì)的概率。204hmc三電子對(duì)效應(yīng)3、電子對(duì)效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒。21202hhm c12hhcc2120511keVhhm c三電子對(duì)效應(yīng) 如果吸收物質(zhì)足夠大，吸收的總能量為：202eeEEEm

35、 c正負(fù)電子來自何方？ 不是從原子核中釋放的； 如果一個(gè)湮沒光子從吸收物質(zhì)逃逸，2200eeEEEm chm c 如果兩個(gè)湮沒光子都從吸收物質(zhì)逃逸，202eeEEEhm c 也不是來自原子中的電子軌道； 是射線轉(zhuǎn)化而來，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。h三電子對(duì)效應(yīng)4、截面22()ln()pZhZh202hm c202hm c三電子對(duì)效應(yīng)在能量較低時(shí)，p隨光子能量線性增加；在高能時(shí)， p隨hv的變化變慢。但均有： p z2。即電子對(duì)效應(yīng)與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比。 202hm c 當(dāng)入射光子能量不同時(shí)，各種作用截面不同； 當(dāng) 時(shí)，三種作用都可能發(fā)生，入射光子與物質(zhì)原子作用的總截面為：phcp202h

36、m c當(dāng) 時(shí)，p=0。三電子對(duì)效應(yīng)小結(jié)： 低能、高Z，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；5phZ72()phh光 電效 應(yīng)康普頓散 射電子對(duì)效 應(yīng)cZ2pZ1()hh0()ch1()hhphln()hh 高能、高Z，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢(shì)。瑞利散射是把原子作為整體的一個(gè)相干散射，散射角非常小，光子與原子之間幾乎沒有能量轉(zhuǎn)移，原子的反沖僅“維持”動(dòng)量守恒。相干散射是唯一不產(chǎn)生電離的過程。瑞利散射瑞利散射相干散射相干散射湯姆遜散射湯姆遜散射 同瑞麗散射相似，湯姆遜散射也可以看作是沒有能量轉(zhuǎn)移的過程。在此過程中，被視為“自由”的電子在入射電磁波的作用下發(fā)生振蕩，振蕩電子發(fā)射和入射波相同頻率的

37、輻射（光子）。湯姆遜散射是彈性散射，其結(jié)果是入射光子沒有與介質(zhì)發(fā)生能量交換，而僅僅改變了運(yùn)動(dòng)方向。 X/射線的射線的X/射射線線的的與物質(zhì)的相互作用機(jī)制小結(jié)：能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。EEEE能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。四x/射線的吸收四x/射線的吸收EE能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。EEEE能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。能量不變；強(qiáng)度改變；無射程概念。光子通過介質(zhì)時(shí)由于同物質(zhì)的三種相互作用, 光子的數(shù)量不斷的減少,物質(zhì)層越厚減少得越多，這種現(xiàn)象稱做對(duì)光子的吸收。厚厚 度度 X X I0 I 所謂單色窄束射線，是指單能，并經(jīng)過準(zhǔn)直處理，只有沿入射方向才有射線射出的測(cè)量條件。1 單色窄束光

38、子通過物質(zhì)時(shí)的吸收四x/射線的吸收( )dII t Ndt 一束準(zhǔn)直射線，初始強(qiáng)度I0 ，在厚度t處經(jīng)過dt時(shí)強(qiáng)度變化：phcp利用初始條件t = 0時(shí)，0(0)II解得：00( )NttI tI eI e四x/射線的吸收2、吸收系數(shù)線性吸收系數(shù)：dINIdt1cm 質(zhì)量吸收系數(shù)：AmNA2cm /g0( )m mtI tI emtt2g/cm 四x/射線的吸收式中：ci第 i 種物質(zhì)的百分含量； mi第 i 種物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)1nmimiic線性吸收系數(shù)：dIIdX當(dāng)射線穿過單位距離介質(zhì)當(dāng)射線穿過單位距離介質(zhì)時(shí)，單個(gè)光子被損失掉的時(shí)，單個(gè)光子被損失掉的幾率。幾率。()phcpphcpN四x

39、/射線的吸收（4）線性吸收系數(shù)與入射射線、作用介質(zhì)有關(guān)： a）射線能量高 值小 b） 原子序數(shù)高 值大能量（能量（MeV) 鉛（鉛（Pb) cm-1 鋁（鋁（Al）cm-1 0.60.6 1.61.6 0.20.2 1.01.0 0.80.8 0.180.18 2.02.0 0.50.5 0.10.1鉛和鋁吸收系數(shù)鉛和鋁吸收系數(shù)（5）對(duì)于某一確定能量，每一種介質(zhì)有一確定的線性吸收系值，該值是、作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)。5phZcZ2pZN四x/射線的吸收3、半吸收厚度和平均自由程半吸收厚度：射線在物質(zhì)中強(qiáng)度減弱一半時(shí)的厚度，1 2002DII e1 2ln2D可以用半吸收厚度表示指數(shù)衰減規(guī)律：1

40、 21 2ln200( )2ttDDI tI eI001tttedtedt平均自由程：1 2ln2D四x/射線的吸收4、寬束條件下的吸收規(guī)律0( )( ,)tI tI B t Ee寬束條件下的衰減規(guī)律：平行窄束： 準(zhǔn)直后的平行射線束，探測(cè)器記錄直射光子。寬 束： 直射光子散射光子。 累積因子B與入射能量E和探測(cè)器的類型有關(guān)； 還與測(cè)量時(shí)的幾何條件有關(guān)。5.5 中子與物質(zhì)的相互作用一、中子的基本性質(zhì)二、中子源三、中子與物質(zhì)作用機(jī)制四、中子的慢化五、中子的擴(kuò)散六、中子的衍射l中子存在于除氫以外的所有原子核中，是構(gòu)成原子核的重要成分；l中子是不穩(wěn)定的。一個(gè)自由中子會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子一個(gè)電子一個(gè)反中

41、微子，并釋放0.782MeV的能量； n p + e + l自由中子的半衰期為10.61+0.16 min。與中子和物質(zhì)相互作用的過程的時(shí)間相比，這個(gè)時(shí)間是很長(zhǎng)的，即：一般情況下，中子在衰變之前就已經(jīng)被原子核俘獲了；因此，通?？蓪⑵湟暈榉€(wěn)定粒子。l中子質(zhì)量比氫原子略重： mn=1.0086649,u=939.5653MeV/c2 mH=1.0086649,u=938.7830MeV/c2一、中子的基本性質(zhì)l中子整體電中性，但其內(nèi)部具有電荷分布。如果正負(fù)電荷分布的中心稍有不重合，中子就應(yīng)有電偶極矩，是否為零是非常重要的基礎(chǔ)研究課題，正負(fù)電荷中心距離10-24cm；l中子自旋角動(dòng)量數(shù)s1/2，費(fèi)米

42、子，服從泡利不相容原理，遵守費(fèi)米統(tǒng)計(jì)；l中子具有磁矩 n=1.913042 N（核磁子），磁矩結(jié)構(gòu)有分布，均方根半徑0.9fm,可產(chǎn)生極化中子束。l中子具有波粒二項(xiàng)性一、中子的基本性質(zhì)l中子具有極強(qiáng)的穿透能力，于物質(zhì)中原子的電子相互作用很小，基本不會(huì)使原子電離和激發(fā)而損失能量，比相同能量的帶電粒子具有強(qiáng)得多的穿透能力；l中子在物質(zhì)中損失能量的主要機(jī)制是與原子核發(fā)生碰撞。l實(shí)際應(yīng)用中，有中子探測(cè)和防護(hù)兩大應(yīng)用問題。由于探測(cè)中子必須通過探測(cè)中子與原子核作用產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子，測(cè)量效率和能量分辨率較差。一、中子的基本性質(zhì)二、中子源l為滿足研究和實(shí)際工程應(yīng)用的要求，必須要有不同的中子源以產(chǎn)生所需的中子

43、。大致分三大類：加速器、反應(yīng)堆和放射性中子源；l加速器和反應(yīng)堆中子源性能更好，特別是加速器中子源多用性強(qiáng)。而放射性中子源方便攜帶，適合野外操作；1) 加速器中子源l用各種帶電粒子加速器加速某些帶電粒子，如質(zhì)子、氘和等，去轟擊靶核產(chǎn)生散裂中子。特點(diǎn)是在較寬的能區(qū)內(nèi)獲得強(qiáng)度適中、能量單一的中子束流；l在低能加速器上用來產(chǎn)生（020MeV）單能中子的幾種反應(yīng)：核反應(yīng)Q值/MeV單能中子區(qū)/MeV入射粒子能量/MeV競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)閾能/MeVD(d,n) 3HeT(d,n) 4He7Li(p,n) 7BeT(p,n) 3He3.27017.59-1.644-0.7632.48.012200.120.

44、60.37.50.14.50.13.81.922.41.158.4D(d,np) DT(d,np) T7Li(p,n) 7Be*T(p,np) D4.453.712.388.43222coscos1BBnddnddndBBnmmmE m mmQEnm mEmmm發(fā)射中子的能量入射氘的能量反應(yīng)能中子出射角中子質(zhì)量氘質(zhì)量靶核質(zhì)量T(d,n)4He/D(d,n)3He反應(yīng)。兩者都放熱，且：1) 加速器中子源l前述兩種反應(yīng)都會(huì)因氘核破裂產(chǎn)生的破裂中子而受到干擾，限制了能夠產(chǎn)生單能中子的能區(qū)。競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)過程T(d,np)T/ D(d,np)D的閾能分別是3.71MeV /4.45MeV.l用數(shù)百M(fèi)eV的脈

45、沖強(qiáng)流電子束或質(zhì)子束轟擊238U等重靶，可產(chǎn)生具有連續(xù)能譜的強(qiáng)中子源，稱“白光”中子源。T(d,n)D(d,n)Ed /MeV100.010.11/mb0.11101001001010.1/b1) 加速器中子源l用裂變反應(yīng)堆鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不斷產(chǎn)生大量中子，特點(diǎn)是注量率高10121015s-1cm-2、能譜復(fù)雜，是體中子源。l從活性區(qū)通過實(shí)驗(yàn)孔道引出堆外的的中子束注量率: 024E kTSN EC EeL1/E中子能量En/MeV11000.01相對(duì)強(qiáng)度Maxwell2) 反應(yīng)堆中子源l用放射性核素衰變放出的射線轟擊某些輕靶核發(fā)生產(chǎn)生(,n),(,n)反應(yīng)，放出中子的中子源。l常用的(,n)反應(yīng)中子源

46、，是將 210Po、226Ra、239Pu、241Am等發(fā)射體粉末均勻、緊密地與Be粉混和壓緊密封在金屬容器內(nèi)制成。對(duì)應(yīng)核反應(yīng)為：9125.70BeCnMeV3)放射性中子源l幾種常用(,n)放射性中子源：源T1/2中子能譜本底每個(gè)粒子產(chǎn)生底中子數(shù)目210 Po226Ra239Pu241Am138d1690a2.41x104a433a連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)低高低低6.75x10-3(2.74.05)x10-25.95x10-35.95x10-3(,n)反應(yīng)都是吸熱的。這種光中子源產(chǎn)生中子的特點(diǎn)是可以提供20keV1MeV間某個(gè)單能中子，例如核反應(yīng)：981.6652.224BeBenMeVDpnMeV

47、自發(fā)裂變中子源252Cf，T1/22.64a，中子產(chǎn)額2.31x1012s-1g-1， ，ET1.453+0.017MeVTEENECE e3)放射性中子源中子幾乎不與電子相互作用，只能與原子核相互作用，中子不帶電，中子不受庫侖阻礙而很容易靠近原子核或被原子核吸收；因此中子與原子核的作用分為兩類： （1）中子的散射，中子與原子核發(fā)生彈性散射（快中子與輕介質(zhì)的相互作用）與非彈性散射（快中子與重介質(zhì)的相互作用）并產(chǎn)生反沖核； （2）中子的俘獲吸收，中子被原子核俘獲而形成復(fù)合核，再衰變而產(chǎn)生其它次級(jí)粒子。中子進(jìn)入原子核形成“復(fù)合核”后，可能發(fā)射一個(gè)或多個(gè)光子，也可能發(fā)射一個(gè)或多個(gè)粒子而回到基態(tài)。前者

48、就稱為“輻射俘獲”，而后者則相應(yīng)于各種中子核反應(yīng) 。有幾種重原子核（如235U），俘獲一個(gè)中子后會(huì)分裂為兩個(gè)或三個(gè)較輕的原子核，同時(shí)發(fā)出2-3個(gè)中子以及很大的能量（約200MeV），這就是裂變反應(yīng) 。三、 中子與物質(zhì)的相互作用n+核勢(shì)彈性散射（n，n）直接作用中間過程復(fù)合核共振彈性散射（n，n）非彈性散射（n，n）產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)（n，b）輻射俘獲（n，）發(fā)射多粒子核反應(yīng)核裂變（n，f）彈性散射（n，n）核反應(yīng)三、 中子與物質(zhì)的相互作用中子的散射中子的散射中子與靶核的彈性碰撞中子與靶核的彈性碰撞三、 中子與物質(zhì)的相互作用在質(zhì)心坐標(biāo)系中單次碰撞后能量比：散射角c可取0間的任何值多次碰撞后，平

49、均能量損失份額：彈性散射三、 中子與物質(zhì)的相互作用快中子能量從E1降到En，所需的平均碰撞次數(shù)：三、 中子與物質(zhì)的相互作用非彈性散射非彈性散射過程：（1）直接相互作用（10-2210-21）；（2）形成復(fù)合核（10-2010-15）；（3）靶核發(fā)出動(dòng)能較低的中子；（4）靶核處于激發(fā)態(tài)；（5）靶核釋放若干光子退激。靶核的內(nèi)能發(fā)生了改變?nèi)?中子與物質(zhì)的相互作用非彈性散射的特點(diǎn)：（1）要克服最低的激發(fā)能級(jí)，所以存在閾能；）要克服最低的激發(fā)能級(jí)，所以存在閾能；（2）閾能以上，中子能量越高，非彈性散射截面越大；）閾能以上，中子能量越高，非彈性散射截面越大；（3）第一激發(fā)能越低，越容易發(fā)生非彈性散射）第

50、一激發(fā)能越低，越容易發(fā)生非彈性散射 重核的第一激發(fā)能約重核的第一激發(fā)能約100千電子伏千電子伏 輕核的第一激發(fā)能約幾兆電子伏輕核的第一激發(fā)能約幾兆電子伏（4）伴隨）伴隨射線射線例屏蔽層加入重金屬與減速劑交替屏蔽（中子減速、射線）HnH211011三、 中子與物質(zhì)的相互作用l輻射俘獲：三、 中子與物質(zhì)的相互作用（1）反應(yīng)截面與中子能量有關(guān)，低能區(qū)除共振峰外，一般服從 規(guī)律；（2）反應(yīng)形成的核素一般是放射性的，也有穩(wěn)定核；（3）不同核素的熱中子俘獲截面變化很大，氙：2.65106靶，鎘：19910靶，氧18只有104靶。特點(diǎn)：E/ 1三、 中子與物質(zhì)的相互作用1. 發(fā)射帶電粒子的核反應(yīng)10Bn中子

51、防護(hù)中常用鎘、硼、鋰作吸收劑HNnO1116710168氮16半衰期7.3秒，放、射線核反應(yīng)三、 中子與物質(zhì)的相互作用2. 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng)：（n，f）反應(yīng)易裂變同位素： 233U， 235U，239Pu，241PunXXnUAzAz1010235922211放出約200MeV的能量可裂變同位素： 232Th， 238U，240Pu三、 中子與物質(zhì)的相互作用中子不帶電，不能直接引起物質(zhì)原子的電離或激發(fā)。但由于不受原子核庫侖場(chǎng)的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核內(nèi)部，同原子核作用發(fā)生彈性散射、非彈性散射或引起其它核反應(yīng)。這些過程的發(fā)生導(dǎo)致中子在物質(zhì)中被慢化和被吸收，并產(chǎn)生一些次級(jí)粒子，例如

52、，反沖質(zhì)子、射線、粒子以及其它帶電粒子等。這些粒子都具有一定的能量。它們繼續(xù)同物質(zhì)發(fā)生各自相應(yīng)的作用，最終使物質(zhì)原子發(fā)生電離和激發(fā)。因此，中子也是一種電離輻射。 中子能量大于810MeV時(shí)，復(fù)合核發(fā)射多個(gè)粒子（n，2n）、（n，np）3. 多粒子發(fā)射三、 中子與物質(zhì)的相互作用中子按能量分類： 慢中子：能量：01keV，主要與核發(fā)生彈性散射（n，n）和中子輻射俘獲（n，）反應(yīng)；包括熱中子、超熱中子和共振中子。 熱中子：與吸收物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)的中子，其速度接近麥克斯韋分布。處于熱平衡狀態(tài)的中子能量為kT（k為常數(shù)，T為絕對(duì)溫度），室溫下（t=20oC）,熱中子能量為： 2319(27320) 1

53、.30.0258 101.6310kTeV對(duì)應(yīng)的中子速度為2200m/s； 冷中子：比熱種子能量更低的中子；三、 中子與物質(zhì)的相互作用 超熱中子：中子未和吸收物質(zhì)達(dá)成熱平衡時(shí)，能量比熱中子略高一些，這種能量略高于熱中子的中子稱為超熱中子（En0.5eV）； 共振中子：能量在1eV1keV的中子；共振中子與核作用時(shí)能夠發(fā)生強(qiáng)烈的共振吸收，吸收截面很大。中能中子：能量在1keV0.5MeV的中子；中能中子與原子核作用的主要形式是彈性散射。快 中 子：能量在0.5MeV10MeV的中子；快中子與原子核的主要作用形式是彈性散射、非彈性散射和核反應(yīng)（如(n,p)、(n,)等反應(yīng)）；特快中子：能量在10M

54、eV50MeV的中子；特快種子除發(fā)生彈性散射、非彈性散射和發(fā)射一個(gè)粒子的核反應(yīng)之外，還可以發(fā)生發(fā)射兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子的核反應(yīng)，如(n,2p)、(n,pn)三、 中子與物質(zhì)的相互作用 微觀截面：中子與原子核的作用，根據(jù)中子的能量，可以產(chǎn)生彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲和裂變等，用s、s、f表示其截面；總截面： t ss f吸收截面：a f 三、 中子與物質(zhì)的相互作用l當(dāng)中子能量不高時(shí)，在一些輕核上彈性散射起主要作用，且在低能部分近似常量，如12C（高溫氣冷堆和其它石墨堆的主要慢化劑）的s、t與能量的關(guān)系：st/b1.0101.01000.01En/MeV三、 中子與物質(zhì)的相互作用宏觀截面：在中子

55、物理中，常稱微觀截面，如s、t 稱微觀散射和微觀總截面，而微觀截面與核子密度N的積稱宏觀截面，如s、a、t分別為宏觀散射、吸收和總截面，有： lNl(cm-1)對(duì)單一核素：對(duì)均勻混和物：對(duì)多原子分子，每個(gè)分子中第i種原子數(shù)為li,有：123.AjjjiiAAiiiiiiNNANlNNANNlA 三、 中子與物質(zhì)的相互作用3)平均自由程 設(shè)強(qiáng)度為I0的中子束，射入厚度為D的靶，在靶深度為x處，中子束強(qiáng)度變?yōu)镮，總微觀截面t 靶核子密度N，根據(jù)中子平衡方程：經(jīng)x不碰撞，在x-x+dx發(fā)生碰撞的概率P(x)dx可由下式導(dǎo)出：平均自由程： 0011111;ttttxxtttsassaadI xdI x

56、NI x dxdxI xI xI eP x dxedxxP x dxNN 三、 中子與物質(zhì)的相互作用l一般核反應(yīng)產(chǎn)生的中子的能量都在MeV量級(jí)，稱快中子。但在有些實(shí)際應(yīng)用，如熱堆、同位素生產(chǎn)等，常要求能量為eV量級(jí)的中子，稱慢中子；l中子的慢化（或中子的減速）：將能量高的快中子變成能量低的慢中子過程；l對(duì)中子進(jìn)行有效慢化，常選用散射截面大而且吸收截面小的輕元素作慢化劑，如氫、氘和石墨等。氫、氘沒有激發(fā)態(tài)，中子與其作用損失能量的主要機(jī)制是彈性散射。12C的最低激發(fā)態(tài)為4.44MeV，當(dāng)中子的能量低于反應(yīng)閾能Eth4.8MeV時(shí)，在石墨上也只發(fā)生彈性散射。四、中子的慢化四、中子的慢化1) 中子和核

57、在彈性散射中能量的變化 假設(shè)：在實(shí)驗(yàn)系中，原子核質(zhì)量為m，處于靜止，中子速度為v1，發(fā)生彈性散射后，中子在散射角方向以速度為v飛出。散射前后的動(dòng)能分別為: 容易證明：在質(zhì)心系中，彈性散射前后，中子和靶核的速度數(shù)值不發(fā)生變化，而只是改變速度方向。所以，彈性散射前后，中子在質(zhì)心系的速度等于22112211;22nnEm vEm v11cnmvvvvmm 四、中子的慢化四、中子的慢化l 根據(jù)的平行四邊形法則，可得在實(shí)驗(yàn)系中，當(dāng)彈性散射后中子速度的平方： l 因此，彈性散射后與散射前中子動(dòng)能之比為： 222222122cos2cosccnncnvvvvv vmmm mmm 22221222112cos

58、1111cos21nncnncnEmmm mEmmmmEAEmmA四、中子的慢化四、中子的慢化l其中A是靶核質(zhì)量數(shù)，參量表征靶核使中子慢化的能力。c0，E2=E1; c180o,E2,min=E1，一般： E1 E2 a ，即 s a時(shí)，熱中子并不馬上消失，還會(huì)在介質(zhì)中不斷地運(yùn)動(dòng)，并和介質(zhì)的原子核不斷的碰撞。這時(shí)中子和介質(zhì)的能量交換達(dá)到熱平衡，其效果是中子從密度大的地方不斷向密度小的地方遷移，此過程稱為中子的擴(kuò)散。 有關(guān)中子在介質(zhì)中的擴(kuò)散行為在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中是很重要的，同時(shí)在其它應(yīng)用問題上也是需要經(jīng)?？紤]的，有關(guān)中子擴(kuò)散理論主要內(nèi)容可參考中子物理和反應(yīng)堆的相關(guān)專著。1）中子的波長(zhǎng)：中子和其它微觀

59、粒子一樣，具有波粒二象性。從量子力學(xué)知，一定動(dòng)量的粒子，它相應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為 92.86 1020.0286nnhhcmm vm EEnmE六、中子的衍射六、中子的衍射由此可見，在一般情況下，中子的波長(zhǎng)是比較短的。 根據(jù)波與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)，只有當(dāng)中子的波長(zhǎng)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的線度差不多時(shí)，其波性才比較明顯。要使中子在原子或晶體上產(chǎn)生衍射，只有能量較低的中子才有可能。2）熱中子衍射原理：布喇格公式 在反射中子束中，對(duì)應(yīng)n=1，稱為一級(jí)衍射，其它稱為次級(jí)衍射。通常一級(jí)衍射最強(qiáng)，強(qiáng)度隨n的增加而迅速下降。2 sin1,2,.dnn波長(zhǎng) 衍射級(jí)次d六、中子的衍射六、中子的衍射 1、中子在核能釋放過程中起

60、著關(guān)鍵的作用； 2、中子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域有很大發(fā)展； 3、中子不帶電，與原子核發(fā)生相互作用不受庫侖位壘的阻擋。 中子與物質(zhì)的相互作用是與原子核的相互作用。中子探測(cè)的基本方法： 核反應(yīng)、核反沖、核裂變、活化。中子探測(cè)的特殊地位：七、 中子探測(cè) 利用中子產(chǎn)生的發(fā)射帶電粒子核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象就可以探測(cè)中子。 主要探測(cè)器中子的強(qiáng)度，也可探測(cè)快中子的能譜。能利用的發(fā)射帶電粒子核反應(yīng)需要反應(yīng)截面較大。1、7107*2.792MeV(6.1%)2.31MeV(93.9%)LinBLi7*70.478MeVLiLi 天然硼中10B的含量為19.8%，易濃縮，應(yīng)用最廣。0(38379)b（1）核反