射線與物質(zhì)的相互作用3實(shí)用教案

1、第1頁(yè)/共39頁(yè)第一頁(yè)，共39頁(yè)。n 中子存在于除氫以外的所有原子核中，是構(gòu)成(guchng)原子核的重要組分。n 自由中子是不穩(wěn)定的。一個(gè)自由中子會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子(粒子)和一個(gè)反中微子，并釋放出0.782MeV的能量。MeVvepn782. 0)()(反中微子自由中子的不穩(wěn)定性反映中子的靜止質(zhì)量稍大于氫原子質(zhì)量。mn1.0086649u939.565300MeV/c2mH1.007825u938.7830MeV/c2因此貯存自由中子是不可能的。第2頁(yè)/共39頁(yè)第二頁(yè)，共39頁(yè)。n 中子(zhngz)的壽命：自由中子(發(fā)生(fshng)衰變)的半衰期為T1/2=10.60min

2、n 中子(zhngz)的電荷：中子總體是電中性（不帶電），是中性粒子。n 中子具有強(qiáng)的穿透能力： 中子與物質(zhì)中原子的電子相互作用很小，基本上不會(huì)因使原子電離和激發(fā)而損失其能量，因而比相同能量的帶電粒子具有強(qiáng)得多的穿透能力。 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。 產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：中子的探測(cè)（通過(guò)與靶核反應(yīng)或散射產(chǎn)生的帶電粒子的測(cè)量得到中子能量信息）和對(duì)中子的屏蔽及防護(hù)。（后續(xù)課程要解決的問(wèn)題）第3頁(yè)/共39頁(yè)第三頁(yè)，共39頁(yè)。n 慢中子：E10MeV；第4頁(yè)/共39頁(yè)第四頁(yè)，共39頁(yè)。 為了研究中子與物質(zhì)相互作用以及它們?cè)趯?shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，首先必須要有能夠滿足不同要求(yoqi)的中

3、子源以產(chǎn)生所需的中子。n 中子源的分類(fn li)： 加速器中子源 反應(yīng)堆中子源 放射性中子源性能更好，多用性強(qiáng)，特別是加速器中子源可實(shí)現(xiàn)便攜式，使用方便，適合(shh)野外及現(xiàn)場(chǎng)使用第5頁(yè)/共39頁(yè)第五頁(yè)，共39頁(yè)。 加速器中子源是利用各種帶電粒子加速器去加速某些粒子(帶電粒子)，如質(zhì)子和氘等，用它們?nèi)マZ擊靶原子核產(chǎn)生(chnshng)中子。n 含義(hny)： 這種中子(zhngz)源的特點(diǎn)是可以在較廣闊的能區(qū)內(nèi)獲得強(qiáng)度適中、能量單一的中子(zhngz)束流。n 特點(diǎn)：n 在低能加速器上用來(lái)產(chǎn)生(020)MeV單能中子的核反應(yīng)：第6頁(yè)/共39頁(yè)第六頁(yè)，共39頁(yè)。HendT4),(Hend

4、D3),(都是放熱反應(yīng)(Q0)，它們發(fā)射中子的能量為： 式中：Ed是入射氘核的動(dòng)能，mn，md和mB分別是中子、入射氘核和剩余核的質(zhì)量，Q是反應(yīng)能，為中子的出射角。222)1 ()(coscos)(BddndnBBnBnddnmmEQmmmmmmmmmEE 可見(jiàn)(kjin)：中子的能量不僅和入射氘的動(dòng)能Ed有關(guān)，而且和中子的出射角有關(guān)。 兩個(gè)(lin )反應(yīng)截面隨入射粒子能量的變化如下圖所示：第7頁(yè)/共39頁(yè)第七頁(yè)，共39頁(yè)。 兩種反應(yīng)都會(huì)因?yàn)殡似屏旬a(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(guò)程T(d,np)T和D(d,np)D的閾能分別為3.71MeV和4.45Me

5、V。是吸熱反應(yīng)(Q0)；BenpLi77),(反應(yīng)： 只能(zh nn)得到(120600)KeV的單能中子，其截面隨能量Ep(1.922.4MeV)的變化如右圖所示：第8頁(yè)/共39頁(yè)第八頁(yè)，共39頁(yè)。是吸熱反應(yīng)(Q92)。以252Cf (锎)(Z=98)最常用。 1克252Cf 每秒放出2.311012個(gè)中子（即中子產(chǎn)額為2.311012s-1g-1）。同時(shí)經(jīng)衰變發(fā)出的射線平均能量為0.8MeV，數(shù)目(shm)為1.31013個(gè)。兩種射線數(shù)目(shm)的比值是一個(gè)定值。 252Cf同時(shí)具有衰變和自發(fā)裂變兩種衰變方式。經(jīng)衰變放出的光子的分支比占96.9%，自發(fā)裂變產(chǎn)生中子的分支比占3.1%，有

6、效半衰期為2.64a，中子平均能量為2.2MeV。第17頁(yè)/共39頁(yè)第十七頁(yè)，共39頁(yè)。 中子(zhngz)與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子(zhngz)與物質(zhì)的靶核的相互作用。 中子因不帶電，能進(jìn)入(jnr)核內(nèi)組成復(fù)合核。復(fù)合核的壽命很短，它很快放出中子，光子或其他帶電粒子，甚至核裂變。n 中子與物質(zhì)相互作用的基本特點(diǎn)： 作用對(duì)象：原子核 作用方式：各種核反應(yīng)主要核反應(yīng)形式彈性散射(n,n)非彈性散射(n,n)輻射俘獲(n,)核裂變反應(yīng)(n,f)帶電粒子發(fā)射(n,),(n,p)多粒子發(fā)射(n,2n),(n,np) 當(dāng)中子能量不同，原子核質(zhì)量不同時(shí)，產(chǎn)生的主要作用形式也不同。第18頁(yè)/共39頁(yè)第

7、十八頁(yè)，共39頁(yè)。Hnnp電離n 中子與靶核碰撞過(guò)程中，動(dòng)能、動(dòng)量守恒，靶核的能級(jí)狀態(tài)沒(méi)有改變。相當(dāng)于兩個(gè)彈性球的碰撞過(guò)程。碰撞后，中子的能量(nngling)和運(yùn)動(dòng)方向均有所改變。 中子的彈性散射更易于發(fā)生在與質(zhì)量數(shù)較小的原子核的碰撞(pn zhun)過(guò)程中。 彈性散射是反應(yīng)堆中，特別是熱中子反應(yīng)堆中的一種(y zhn)主要中子核反應(yīng)類型。 熱中子反應(yīng)堆中主要是熱中子引發(fā)裂變。中子從快中子到熱中子的過(guò)程主要是依靠與輕核的彈性碰撞而損失能量。第19頁(yè)/共39頁(yè)第十九頁(yè)，共39頁(yè)。中子的動(dòng)能損失或反沖核獲得(hud)的能量為： 22cos.4nnnMEmMMmEEEEM反沖核的動(dòng)能；En，En分

8、別為碰撞前、后中子的動(dòng)能；M反沖核質(zhì)量；m中子質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中反沖核的反沖角。式中： 從上式可以(ky)看出，原子核的質(zhì)量越小，在彈性散射過(guò)程中，中子損失的能量或原子核得到的反沖動(dòng)能越大。 當(dāng) = 0 時(shí)，反沖質(zhì)子(zhz)能量最大，Ep = En當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時(shí)，Mm，上式變?yōu)椋?cosnpEE p 探測(cè)中子的重要途徑：探測(cè)散射產(chǎn)生的反沖核獲取中子信息。對(duì)反沖質(zhì)子，測(cè)量其能量Ep和反沖角即可得到中子能量En 。第20頁(yè)/共39頁(yè)第二十頁(yè)，共39頁(yè)。 碰撞后，中子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有所改變(gibin)，伴隨著靶核的衰變。高能中子與重核的散射反應(yīng)主要是非彈性散射。n 中子與原子核發(fā)

9、生(fshng)非彈性散射，實(shí)際上包括兩個(gè)過(guò)程： 首先是中子被原子核吸收，形成一個(gè)復(fù)合核。但這個(gè)復(fù)合核不是處于穩(wěn)定的基態(tài)，而是處于激發(fā)態(tài)。 很快它就會(huì)又放出一個(gè)中子，并且放出射線，回到穩(wěn)定的基態(tài)。第21頁(yè)/共39頁(yè)第二十一頁(yè)，共39頁(yè)。n 非彈性散射的反應(yīng)式可以(ky)表示如下：XnXXXnAzAzAzAz10*110)()(n 非彈性散射的中子能量存在(cnzi)閾值：非彈性散射有閾值：MmMEE.閾E放出的射線能量；式中：M反沖核質(zhì)量；m中子質(zhì)量； 只有當(dāng)中子能量超過(guò)閾值時(shí)，非彈性散射才能發(fā)生。第22頁(yè)/共39頁(yè)第二十二頁(yè)，共39頁(yè)。輻射俘獲是最常見(jiàn)的核反應(yīng)。結(jié)果是生成核比原來(lái)原子核大一個(gè)

10、質(zhì)量數(shù)的同位素，即 。生成核往往具有放射性。XnXAZAZ1),()()(1*110XXXnAzAzAzn 中子活化：一個(gè)穩(wěn)定的同位素經(jīng)中子照射后，生成放射性核，這種現(xiàn)象稱為激化或活化。相應(yīng)的放射性稱為人工放射性或感生放射性。第23頁(yè)/共39頁(yè)第二十三頁(yè)，共39頁(yè)。 （n,）是制備(zhbi)放射性同位素的重要途徑： 對(duì)地質(zhì)試樣進(jìn)行活化分析時(shí)，也是利用(lyng)（n,）反應(yīng)：ConCo6027105927或ConCo60275927),( 60Co是一種常用的放射性源。半衰期為5.25a，衰變時(shí)放出1.17MeV和1.33MeV兩種能量的射線。)(35. 2)(min5 .23),(2392

11、39239238钚镎PudNpUnUUdPaThnTh2332332332324 .27)(min1 .22),(鏷通過(guò)測(cè)量(n,)反應(yīng)后的生成核的衰變子體239Np和233Pa，確定試樣中的U，Th含量。239Pu和233U是很好的核燃料，通過(guò)(n,)反應(yīng)，可將自然界中存在的238U和232Th轉(zhuǎn)變成239Pu和233U。第24頁(yè)/共39頁(yè)第二十四頁(yè)，共39頁(yè)。n 含義(hny)： 并非所有的物質(zhì)與中子作用都可以發(fā)生裂變。自然界中存在的物質(zhì)只有235U與中子作用可以發(fā)生裂變反應(yīng)。人工制造的裂變材料(cilio)包括233U、239U、241Pu等。中子與重原子核作用時(shí)，被靶核所吸收/俘獲之后

12、，靶核變成了兩個(gè)碎片（其它物質(zhì)的原子核），同時(shí)釋放出23個(gè)中子和大量的能量（結(jié)合能）。第25頁(yè)/共39頁(yè)第二十五頁(yè)，共39頁(yè)。n 裂變過(guò)程中產(chǎn)生(chnshng)的中子： 瞬發(fā)中子(zhngz)： 緩發(fā)中子： 絕大部分(99%)的中子是在裂變過(guò)程之后的10-8秒放出的，稱為瞬發(fā)中子。 有很少部分(1%)的中子是在裂變過(guò)程之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才發(fā)出的，稱為緩發(fā)中子。 緩發(fā)中子與裂變產(chǎn)物的衰變有關(guān)，裂變產(chǎn)物經(jīng)衰變后，核處于激發(fā)態(tài)，如果該激發(fā)態(tài)能量高于中子在核中的結(jié)合能，則核會(huì)發(fā)射中子。 核發(fā)射緩發(fā)中子有各種不同的半衰期。第26頁(yè)/共39頁(yè)第二十六頁(yè)，共39頁(yè)。 中子與某些輕核發(fā)生作用(zuyng)時(shí)

13、，形成復(fù)合核并發(fā)出帶電粒子。 (n,p)反應(yīng)是發(fā)出質(zhì)子，(n,)反應(yīng)是發(fā)出粒子。它們的反應(yīng)能量Q有正有負(fù)。放熱反應(yīng)(Q0)原則上在任何中子能量時(shí)都可發(fā)生。吸熱反應(yīng)(Q0)有一個(gè)(y )閾值。 帶電粒子從核內(nèi)發(fā)射出時(shí)，必須克服庫(kù)侖勢(shì)壘的阻礙。 勢(shì)壘高度隨Z迅速增加 對(duì)慢中子只有在輕核情況下才能發(fā)生(n,p)和(n,)反應(yīng)。HnLi36),(LinB710),(和n 帶電粒子發(fā)射： (n, )反應(yīng)：p 探測(cè)中子的重要途徑：通過(guò)測(cè)量與中子反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子獲得中子的信息。第27頁(yè)/共39頁(yè)第二十七頁(yè)，共39頁(yè)。 例：例： n + 14N 14C + p 第一步：第一步： 核反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子

14、(zhz) 第二步第二步 ：質(zhì)子：質(zhì)子(zhz)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生電對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生電離作用離作用人體有大量 H 和 N 原子(yunz)中子對(duì)人體電離效應(yīng)嚴(yán)重 傷害也嚴(yán)重n p電離14N14C12 (n,p)反應(yīng)(fnyng)：n 多粒子發(fā)射： 如(n,2n)、(n,np)等，這些反應(yīng)的閾能較高，只有特快中子轟擊靶核時(shí)才能發(fā)生。第28頁(yè)/共39頁(yè)第二十八頁(yè)，共39頁(yè)。n 特征(tzhng)：中子(zhngz)與原子核之間的相互作用與射線相似；在一次相互作用中失去部分能量、或被吸收；在單位路程上具有一定的相互作用幾率，用截面描述；沒(méi)有射程的概念。 中子與原子核的作用，根據(jù)中子能量，可產(chǎn)生各種作用過(guò)程，用s、

15、s、和f，分別表示彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲和裂變的截面。n 表示方式： 中子在介質(zhì)中與介質(zhì)原子的電子發(fā)生相互作用可忽略不計(jì)。第29頁(yè)/共39頁(yè)第二十九頁(yè)，共39頁(yè)。 總截面t應(yīng)是所有可能各種反應(yīng)截面之和：.fsst 其中輻射俘獲和裂變等反應(yīng)使中子被吸收，這些反應(yīng)截面之和a定義為中子被吸收截面，即：.fan 宏觀(hnggun)截面： 中子和原子核的反應(yīng)截面，在中子物理中常稱為(chn wi)微觀截面。 微觀截面和靶物質(zhì)(wzh)單位體積內(nèi)原子核數(shù)N的乘積，稱為宏觀截面，用符號(hào)表示：NttN稱為宏觀總截面。aaN稱為宏觀吸收截面。ssN稱為宏觀散射截面。第30頁(yè)/共39頁(yè)第三十頁(yè)，共39頁(yè)

16、。n 宏觀(hnggun)截面的物理意義：中子束通過(guò)靶子的情形 考慮有一靶，其厚度為D，如右圖所示。 初始(ch sh)入射中子束的強(qiáng)度為I0，穿過(guò)x距離后，中子束的強(qiáng)度變成I(x)。再穿過(guò)距離dx后，中子束的強(qiáng)度將進(jìn)一步的減弱，強(qiáng)度的變化為：NdxxIxdIt)()(上式除以I(x)，得到(d do)：dxxIxdIt)()(面上的中子數(shù)入射到內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)在dxdxxIxdI)()(中子在xx+dx內(nèi)，與靶核發(fā)生相互作用的概率dxxIt)(第31頁(yè)/共39頁(yè)第三十一頁(yè)，共39頁(yè)。dxxIxdIt)()(中子束通過(guò)靶子的情形 tdx是中子在dx距離內(nèi)與靶核發(fā)生作用(zuyng)的概率。t

17、的物理(wl)意義：中子在靶內(nèi)單位程長(zhǎng)中發(fā)生相互作用的概率。 a和s的物理(wl)意義：宏觀吸收截面a=Na的物理意義： 表示中子穿過(guò)物質(zhì)單位厚度被吸收的概率。宏觀散射截面s=Ns的物理意義： 表示中子穿過(guò)物質(zhì)單位厚度被散射的概率。宏觀截面的常用單位是cm-1。第32頁(yè)/共39頁(yè)第三十二頁(yè)，共39頁(yè)。n 宏觀(hnggun)截面的計(jì)算： 如前所述，微觀(wigun)截面和靶物質(zhì)單位體積內(nèi)原子核數(shù)N的乘積，稱為宏觀截面，用符號(hào)表示：N 靶由單一(dny)核素構(gòu)成： 對(duì)靶物質(zhì)只含一種元素的單一物質(zhì)，其單位體積內(nèi)原子核數(shù)N：式中：是物質(zhì)的密度，A是質(zhì)量數(shù)，NA是阿伏加德羅常數(shù)。ANAN則對(duì)應(yīng)的宏觀截

18、面為：ANAN第33頁(yè)/共39頁(yè)第三十三頁(yè)，共39頁(yè)。 靶由多原子分子(fnz)構(gòu)成： 對(duì)于多原子分子(fnz)，設(shè)分子(fnz)量為A，每個(gè)分子(fnz)中第i種原子的數(shù)目為li，則單位體積內(nèi)第i 種原子的總數(shù)Ni為：AiiNAlN 設(shè)i是中子和第i 種原子核發(fā)生某種反應(yīng)(fnyng)的微觀截面，則相應(yīng)的宏觀截面為：.)(2211llANlANNAlNAiiiAiiAiiii 動(dòng)能為1eV的中子，在氫核上的微觀散射截面是20b，在氧核上的微觀散射截面是3.8b，水的密度=1g/cm3，分子量是18，這時(shí)中子在水中的宏觀散射截面值是多少？例題：第34頁(yè)/共39頁(yè)第三十四頁(yè)，共39頁(yè)。iiiAslAN1242423)108 . 3110202(181002. 61cm15 . 1cm 即表明動(dòng)能為1eV的中子，在水中經(jīng)過(guò)1cm距離時(shí)平均(pngjn)受到1.5次散射。 解：H2O的分子量為18，一個(gè)(y )水分子中含2個(gè)H原子、1個(gè)O原子，則有：第35頁(yè)/共39頁(yè)第三十五頁(yè)，共39頁(yè)。n 窄中子束的衰減(shui jin)規(guī)律：N