輻射與物質(zhì)的相互作用課件

第六章

輻射與物質(zhì)的相互作用1第六章

輻射與物質(zhì)的相互作用1主要內(nèi)容0、微觀粒子的基本性質(zhì)1、輻射與物質(zhì)相互作用概述2、重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用3、快電子與物質(zhì)的相互作用4、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用5、其他2主要內(nèi)容0、微觀粒子的基本性質(zhì)2一、粒子的分類及主要性質(zhì)

按粒子參與相互作用的情況來(lái)分類強(qiáng)子—參與強(qiáng)相互作用的粒子重子—自旋為1/2和半整數(shù)的強(qiáng)子，是費(fèi)米子，服從費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如：質(zhì)子、中子、各類超子。介子—自旋為整數(shù)的強(qiáng)子，是玻色子，服從玻色－愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如：，k，……輕子—不參與強(qiáng)相互作用的，自旋為1/2的粒子，如：電子，子，子，各類中微子，……場(chǎng)量子—自旋為1，傳遞相互作用的粒子，它們是光子，膠子，W、Z中間玻色子。6.0微觀粒子的基本性質(zhì)3一、粒子的分類及主要性質(zhì)6.0微觀粒子的基本性質(zhì)3一、電子質(zhì)量最輕的穩(wěn)定粒子。

衰變：原子核內(nèi)質(zhì)子和中子互相轉(zhuǎn)換的過(guò)程－衰變＋衰變軌道電子俘獲EC

易俘獲k層電子，稱作k俘獲，并伴隨x射線發(fā)射或俄歇效應(yīng)發(fā)生。反電子中微子電子中微子4一、電子質(zhì)量最輕的穩(wěn)定粒子。反電子中微子電子中微子4

三個(gè)過(guò)程都涉及三個(gè)物體：粒子、中微子和反沖核，由于衰變過(guò)程中能動(dòng)量守恒，所以粒子的能量由零到最大都有，粒子能譜是連續(xù)譜。粒子能譜是連續(xù)譜5三個(gè)過(guò)程都涉及三個(gè)物體：粒子、中微子和反沖核一些純電子源6一些純電子源6內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量從keV到MeV，為單能。

處于激發(fā)態(tài)的原子核通過(guò)把能量交給核外電子退激發(fā)，核外電子把獲得能量的一部分用以克服結(jié)合能，其余作為電子的動(dòng)能脫離原子。

7內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量從keV到MeV，為單能。處于激發(fā)俄歇電子俄歇電子能量比粒子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量低。俄歇效應(yīng)與x射線發(fā)射是互相競(jìng)爭(zhēng)的兩個(gè)過(guò)程。原子內(nèi)殼層失去一個(gè)電子出現(xiàn)一個(gè)空穴時(shí)，外殼層電子就可能躍遷來(lái)填補(bǔ)空穴，同時(shí)發(fā)射x射線。若不發(fā)射x射線而將能量交給另一個(gè)殼層電子，使其克服結(jié)合能而發(fā)射出去，這個(gè)過(guò)程就是俄歇效應(yīng)，打出的電子就是俄歇電子。

電子加速器如BES、LEP等，加速后的電子能量可達(dá)GeV量級(jí)。8俄歇電子899二、重帶電粒子質(zhì)子

H原子核，mp=938MeV=1836me，帶1個(gè)正電荷。粒子

He原子核，由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，帶2個(gè)正電荷。衰變核裂片重核裂變產(chǎn)生兩個(gè)裂變碎片。根據(jù)動(dòng)量守恒，每個(gè)碎片向相反方向發(fā)射。是帶多電荷的正離子。如235U吸收一個(gè)慢中子裂變產(chǎn)生兩個(gè)裂片，質(zhì)量小的平均質(zhì)量數(shù)m1=96，總電荷Q1＝20e；質(zhì)量大的平均質(zhì)量數(shù)m2=139，總電荷Q2＝72e。重離子Z>2的離子，核裂片是其中一種，存在與宇宙線中，也可以通過(guò)把原子的核外電子直接剝離產(chǎn)生，一般用重離子加速器產(chǎn)生并加速，以增加其能量。10二、重帶電粒子質(zhì)子H原子核，mp=938MeV=1836Bi的衰變及Tl的能級(jí)11Bi的衰變及Tl的能級(jí)11三、射線和x射線電磁波，靜止質(zhì)量為0，具有波粒二象性。波長(zhǎng)比普通光波短很多，波長(zhǎng)<x波長(zhǎng)，粒子性更突出，常稱光子。能量動(dòng)量

h普朗克常數(shù)，v振動(dòng)頻率，c光速，波長(zhǎng)

12三、射線和x射線電磁波，靜止質(zhì)量為0，具有波粒二象性。12射線產(chǎn)生處于激發(fā)態(tài)的原子核向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)射射線。對(duì)實(shí)驗(yàn)室中使用的大多數(shù)輻射源來(lái)說(shuō)，受激核態(tài)是在放射性母核經(jīng)、衰變過(guò)程中形成的，所以射線常常伴隨、射線產(chǎn)生。正反粒子湮滅發(fā)射射線。如正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮滅，發(fā)射兩個(gè)方向相反的光子，光子能量為0.511MeV。13射線產(chǎn)生131414

生成的12C處于激發(fā)態(tài)，向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生能量為4.44MeV的射線。3.伴隨核反應(yīng)產(chǎn)生的射線15

4.軔致輻射（x射線）當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時(shí)，其部分能量轉(zhuǎn)換成軔致輻射形式的電磁輻射。轉(zhuǎn)換成軔致輻射的電子能量的份額隨入射電子能量的增加而增加，也隨吸收物質(zhì)的原子序數(shù)的增加而增加。軔致輻射譜是連續(xù)的。164.軔致輻射（x射線）當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時(shí)，其部分能特征X射線的產(chǎn)生

處于激發(fā)態(tài)的原子，內(nèi)層電子的躍遷使原子恢復(fù)到最低能態(tài)或基態(tài)，同時(shí)以發(fā)射特征X射線的形式釋放能量，該特征X射線的能量等于初態(tài)與終態(tài)間的能量差。KLMKK17特征X射線的產(chǎn)生處于激發(fā)態(tài)的原子，內(nèi)層電子的躍遷使原外部輻射激發(fā)靶特征X射線入射粒子束入射粒子能量必須大于預(yù)期由靶發(fā)出的最大X射線能量，X射線譜為連續(xù)譜，特征X射線能量是單一的，各向同性發(fā)射。18外部輻射激發(fā)靶特征X射線入射粒子束入射粒子能量必須大于預(yù)期由用于激發(fā)特征X射線的粒子源19用于激發(fā)特征X射線的粒子源19四、中子中子性質(zhì)：電中性，自旋1/2，mn=940MeV，束縛在原子核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的，自由中子是不穩(wěn)定的。平均壽命＝16.9分。中子的產(chǎn)生

許多超鈾重核素具有自發(fā)裂變幾率，每次裂變時(shí)發(fā)射幾個(gè)快中子。最常見(jiàn)的源是252Cf。20四、中子中子性質(zhì)：電中性，自旋1/2，mn=940MeV，束2121放射性同位素（，n）源

從許多普通放射性核素的直接衰變可以得到具有相當(dāng)能量的粒子，所以可以把發(fā)射粒子的同位素與適當(dāng)?shù)陌形镔|(zhì)混和起來(lái)，制成小的自給中子源。光致中子源Q＝5.17MeV光子能量>10MeV22放射性同位素（，n）源Q＝5.17MeV光子能量>10Me五、放射性衰變的基本規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律N0：t=0時(shí)刻的原子核數(shù)目N：t時(shí)刻的原子核數(shù)目：衰變常數(shù)，單位時(shí)間每個(gè)原子核衰變的幾率23五、放射性衰變的基本規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律232.核衰變的時(shí)間特性半衰期T1/2：

放射性原子核數(shù)目衰減到一半所需的時(shí)間平均壽命：

放射性原子核數(shù)目衰減到1/e所需的時(shí)間能級(jí)寬度：粒子處在某一狀態(tài)有一定的時(shí)間范圍，處在該狀態(tài)的平均時(shí)間稱為壽命，或稱這個(gè)能級(jí)有一定寬度。242.核衰變的時(shí)間特性半衰期T1/2：24放射性活度

單位時(shí)間放射性物質(zhì)的衰變數(shù)

單位

居里（Ci）：3.7×1010衰變/s，mCi，Ci貝可勒爾（Bq）：1衰變/s，1Ci=3.7×1010BqKBq，MBqN－放射性核數(shù)－衰變常數(shù)A0－t=0時(shí)刻的放射性活度3.放射性活度及單位25放射性活度N－放射性核數(shù)3.放射性活度及單位25比放射性活度(比活度，固體適用）放射性樣品中某種放射性核素的活度與樣品質(zhì)量（或體積）之比，即單位質(zhì)量的放射性樣品內(nèi)該核素的活度。其單位是kBq.g-1、MBq.g-1等。放射性濃度（溶液和氣體適用）對(duì)放射性溶液和氣體常用放射性濃度來(lái)表示其中所含有的某放射性核素的量，其含意是單位體積溶液或氣體中所含的該核素的活度。其單位是Bq.L-1、Bq.m-3、kBq.L-1等。26比放射性活度(比活度，固體適用）26如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核數(shù)及其質(zhì)量。例題：實(shí)驗(yàn)用的1Ci的60Co源，求其質(zhì)量。已知其T1/2=5.27年解：其所含原子核數(shù)

其質(zhì)量可見(jiàn)一般放射源質(zhì)量甚微，卻含有大量原子核，足以保證衰變規(guī)律的良好統(tǒng)計(jì)性。27如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核數(shù)及其質(zhì)量。274.射線強(qiáng)度定義放射源在單位時(shí)間內(nèi)放出某種射線的粒子個(gè)數(shù)為射線強(qiáng)度。若某放射源每一次衰變只放出一個(gè)粒子，則該射線強(qiáng)度就等于該放射源活度。若某放射源每一次衰變放出幾個(gè)粒子，則該射線強(qiáng)度就不等于該放射源活度。如：60Co一次衰變放出一個(gè)粒子，則射線的強(qiáng)度就是放射源活度，同時(shí)60Co一次衰變級(jí)聯(lián)放出2個(gè)粒子，則射線的強(qiáng)度為放射源活度的2倍。284.射線強(qiáng)度定義放射源在單位時(shí)間內(nèi)放出某種射線的粒子個(gè)數(shù)為5.輻射劑量描述輻射場(chǎng)的量。射線通過(guò)輻射場(chǎng)內(nèi)的物體時(shí)，與物體發(fā)生相互作用，把能量沉積在物體中。吸收劑量：描述輻射場(chǎng)內(nèi)受照物體吸收能量的劑量單位。定義：1公斤物體質(zhì)量吸收1焦耳的能量為1Gy。1Gy＝1J/kg，或1Gy＝6.24×1012MeV/kg，老單位是rad，為1g物質(zhì)吸收100爾格的能量。故1Gy＝100rad。等效劑量：輻射引起的生物效應(yīng)及其嚴(yán)重程度不僅取決于能量沉積，還取決于輻射的種類。定義：

WR與輻射類型及能量有關(guān)的因子，單位1Sv=1J/kg295.輻射劑量描述輻射場(chǎng)的量。射線通過(guò)輻射場(chǎng)內(nèi)的物體時(shí)，與物輻射權(quán)重因子輻射類型輻射能量WR光子電子和介子中子質(zhì)子（反沖質(zhì)子除外）粒子、裂變碎片、重核所有能量所有能量<10keV10-100keV>100keV－2MeV>2MeV-20MeV>20MeV>2MeV115102010552030輻射權(quán)重因子輻射類型輻射能量WR光子所有能量1306.1概述1、什么是射線？

射線，指的是如X/射線、射線、射線、中子等，本質(zhì)都是輻射粒子。

射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測(cè)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)微觀世界的基本手段。

本課程討論對(duì)象為致電離輻射(IonizingRadiation)，輻射能量大于10eV量級(jí)。即可使探測(cè)介質(zhì)的原子發(fā)生電離的最低能量。

316.1概述1、什么是射線？射線，指的是如X2、射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUncharged

RadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays322、射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticul++Alpha-+分類:Electrons,PositronsHeavyChargedParticlesInteractwith:AtomicelectronsInteractionMechanisms:IonizeandExciteAtomicElectronsBremsstrahlung帶電粒子的相互作用NucleiAtomicelectrons33++Alpha-+分類:Electrons,Positro3、彈性碰撞與非彈性碰撞彈性碰撞（即動(dòng)能守恒）非彈性碰撞（即動(dòng)能不守恒）為第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)的原子碰撞，且使其激發(fā)；

為第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的原子碰撞，且使其退激

碰撞前總動(dòng)能碰撞后總動(dòng)能內(nèi)能項(xiàng)

343、彈性碰撞與非彈性碰撞彈性碰撞（即動(dòng)能守恒）非彈性碰撞（4、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化

入射帶電粒子通過(guò)所帶電荷與原子中核外電子、原子核發(fā)生庫(kù)侖相互作用。入射帶電粒子在相互作用過(guò)程中逐漸損失能量而減慢速度——慢化。例如：在入射帶電粒子與電子的一次碰撞中，電子能獲得的最大能量：當(dāng)為質(zhì)子入射時(shí)：354、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化入射帶電粒子通過(guò)所帶電

載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過(guò)程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(a)

電離損失－帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過(guò)程。(b)

輻射損失－帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過(guò)程。(c)核碰撞損失－帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞。(d)帶電粒子與核外電子彈性碰撞。36載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過(guò)程，可分為四種，其中前兩(1)電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過(guò)程

入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過(guò)庫(kù)侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。

電離——使核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——使核外層電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。37(1)電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過(guò)程入射帶電粒當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失其能量，則稱為電離損失。

電離損失是帶電粒子在物質(zhì)中損失動(dòng)能的主要方式。38當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原(2)、輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過(guò)程入射帶電粒子與原子核之間的庫(kù)侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射—軔致輻射Bremsstrahlung。當(dāng)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子的形式損失其能量，稱為輻射損失。

粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。39(2)、輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過(guò)程入射帶電(3)、核碰撞損失－帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞

帶電粒子與靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而發(fā)生彈性散射。彈性散射過(guò)程中，入射粒子和原子核的總動(dòng)能不變，即入射粒子既不輻射光子，也不激發(fā)原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變。彈性碰撞過(guò)程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)量守恒，入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。40(3)、核碰撞損失－帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電

核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子能量很低或低速重離子入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起反散射的主要過(guò)程。這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞引起入射粒子的能量損失稱為核碰撞能量損失，我們把原子核對(duì)入射粒子的阻止作用稱為核阻止。41核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子能量很低或低速重離子(4)、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受核外電子的庫(kù)侖力作用，入射粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為滿足能量和動(dòng)量守恒，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很小，比原子中電子的最低激發(fā)能還小，原子的能量狀態(tài)沒(méi)有變化。實(shí)際上，這是入射粒子與整個(gè)靶原子的相互作用。這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的粒子時(shí)方需考慮,其它情況下完全可以忽略掉。42(4)、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受核外電子的庫(kù)侖6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)

重帶電粒子均為帶正電荷的離子；

重帶電粒子主要通過(guò)電離損失而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；

重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。

InteractionofHeavyChargedParticles436.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(SpecificEnergyLoss)指單位路徑上引起的能量損失，又稱為比能損失或阻止本領(lǐng)(StoppingPower)。

按能量損失作用的不同，能量損失率主要分為“電離能量損失率”和“輻射能量損失率”。

442、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(Spe對(duì)重帶電粒子，輻射能量損失率相對(duì)小的多，因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。2)Bethe公式(Betheformula)

Bethe公式是描寫(xiě)電離能量損失率Sion與帶電粒子速度v、電荷z以及作用物質(zhì)屬性等關(guān)系的經(jīng)典公式。45對(duì)重帶電粒子，輻射能量損失率相對(duì)小的多，因此重帶電粒子的Bethe公式的推導(dǎo)(1)物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(入射粒子的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子的結(jié)合能)(2)物質(zhì)原子的電子可看成是靜止的。(入射粒子的速度遠(yuǎn)大于軌道電子的運(yùn)動(dòng)速度)(3)碰撞后入射粒子仍按原方向運(yùn)動(dòng)。(碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向幾乎不變)公式推導(dǎo)的簡(jiǎn)化條件：(4)入射粒子的電荷狀態(tài)是確定的。46Bethe公式的推導(dǎo)(1)物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(先看，重帶電粒子與單個(gè)電子的碰撞情況：電子受到的庫(kù)侖力：該作用過(guò)程的時(shí)間為：在時(shí)間內(nèi)，帶電粒子傳給電子的動(dòng)量為：整個(gè)作用過(guò)程中，傳給電子的總動(dòng)量為：47先看，重帶電粒子與單個(gè)電子的碰撞情況：電子受到的庫(kù)侖力：該作在x方向，電子獲得的動(dòng)量為：因此，有：48在x方向，電子獲得的動(dòng)量為：因此，有：48由于：所以：令：則：49由于：所以：令：則：49碰撞參量為b時(shí)，單個(gè)電子所得動(dòng)量為：碰撞參量為b時(shí)，單個(gè)電子所得的動(dòng)能為：再看，dx距離內(nèi)碰撞參量為b的電子數(shù)為：在dx距離內(nèi),碰撞參量為b的電子得到的總動(dòng)能為：50碰撞參量為b時(shí)，單個(gè)電子所得動(dòng)量為：碰撞參量為b時(shí)，單個(gè)電子則，在dx距離內(nèi),物質(zhì)中所有電子得到的總動(dòng)能(也就是入射粒子在dx距離內(nèi)損失的動(dòng)能)為：顯然，不能為“”，也不能為“0”，否則(-dE/dx)將為，是不合理的！和該如何取值呢？51則，在dx距離內(nèi),物質(zhì)中所有電子得到的總動(dòng)能(也就是入射粒子可以容易知道，對(duì)應(yīng)電子獲得最大能量的情況，按經(jīng)典碰撞理論，重粒子與電子對(duì)心碰撞時(shí)，電子將獲得最大動(dòng)能，約為。其中m0

為電子的靜止質(zhì)量，v

為入射帶電粒子的速度。根據(jù)：對(duì)于4MeV的入射α粒子52可以容易知道，對(duì)應(yīng)電子獲得最大能量的情況，按經(jīng)典碰撞對(duì)應(yīng)電子獲得最小能量的情況，可以由電子在原子中的結(jié)合能來(lái)考慮。入射粒子傳給電子的能量必須大于原子的激發(fā)能，才能使其激發(fā)或電離，否則將不起作用。也就是說(shuō)，電子只能從入射粒子處接受大于原子激發(fā)能的能量。根據(jù)：對(duì)于4MeV的入射α粒子設(shè)I=10eV53對(duì)應(yīng)電子獲得最小能量的情況，可以由電子在原子中的結(jié)合代入和，可得到電離能量損失率為：對(duì)：按量子理論推導(dǎo)出的公式(非相對(duì)論)也可以表示為只是：54代入和，可得到電離能量損失率為：對(duì)：按量子理論推導(dǎo)出

考慮相對(duì)論與其他修正因子，可得到重帶電粒子電離能量損失率的精確表達(dá)式，稱為Bethe公式：其中：入射粒子電荷數(shù)入射粒子速度靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)平均等效電離電位m0為電子靜止質(zhì)量55考慮相對(duì)論與其他修正因子，可得到重帶電粒子電離能量損失率3)Bethe公式的討論(2)、與帶電粒子的電荷數(shù)z的關(guān)系；(1)、與帶電粒子的質(zhì)量M無(wú)關(guān)，而僅與其速度v

和電荷數(shù)z

有關(guān)。(3)、與帶電粒子的速度v的關(guān)系：非相對(duì)論情況下，B隨v變化緩慢，近似與v無(wú)關(guān)，則：(4)、，吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，其阻止本領(lǐng)大。563)Bethe公式的討論(2)、與帶電

Sion與v2的關(guān)系

b:

v2較小，非相對(duì)論情況，S1/v2

；

c:

v2較大，相對(duì)論情況，對(duì)數(shù)項(xiàng)增大，S上升

；

a:v2很小，內(nèi)層電子無(wú)貢獻(xiàn)，電荷交換效應(yīng)。57Sion與v2的關(guān)系b:v2較小，非相對(duì)論情況，一些粒子在空氣中的比能損失與其能量的關(guān)系。58一些粒子在空氣中的比能損失與其能量的關(guān)系。58一些粒子在物質(zhì)中的比能損失與其能量的關(guān)系。59一些粒子在物質(zhì)中的比能損失與其能量的關(guān)系。594)Bragg曲線與能量歧離Bragg曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。604)Bragg曲線與能量歧離Bragg曲線：帶電粒能量歧離(EnergyStraggling)：

單能粒子束穿過(guò)一定厚度的物質(zhì)后，將不再是單能的，而發(fā)生了能量的離散。能量歧離是由微觀上能量損失是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程所決定的。61能量歧離(EnergyStraggling)：?jiǎn)文?)重帶電粒子徑跡的特征相同速度的質(zhì)子和粒子在水中的計(jì)算徑跡片斷δ射線：是指帶電粒子在穿透介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電子-離子對(duì)中的電子具有足夠的能量而可引起進(jìn)一步電離的電子。比電離(specificIonization)：是指帶電粒子在穿透單位距離介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的離子對(duì)的平均數(shù)?；臼侵本€質(zhì)子、徑跡粗細(xì)不同有分叉能量高，徑跡細(xì)3、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程621)重帶電粒子徑跡的特征相同速度的質(zhì)子和粒子在水中的計(jì)算2)射程(Range)的定義

帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程R。

入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度稱作路程(Path)。路程>射程

重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。632)射程(Range)的定義帶電粒子沿入射方向所行若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：非相對(duì)論情況：64若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：非相對(duì)論情況：64由于：65由于：652、不同粒子以相同速度，入射在同一物質(zhì)中，幾點(diǎn)討論：例：p、以相同速度入射在同種物質(zhì)中，

M/z2均為1，它們的射程相等。1、同種粒子以相同速度，入射在不同物質(zhì)中，如果Z比較接近，常數(shù)662、不同粒子以相同速度，入射在同一物質(zhì)中，幾點(diǎn)討論：例：p、射程往往通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：探測(cè)器源平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程長(zhǎng)；反之則短。在某種物質(zhì)中，確定的入射重帶電粒子的射程與粒子能量之間存在著確定的關(guān)系，常以曲線的形式給出。67射程往往通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：探測(cè)器源平均射程外推射程入射?？諝庵校Ｗ拥纳涑棠芰筷P(guān)系曲線。為粒子能量，單位為MeV。公式適用范圍：練習(xí)4MeV的粒子在空氣中射程是多少?在15C和760mmHg壓力下粒子在空氣中的射程—能量關(guān)系曲線68空氣中，粒子的射程能量關(guān)系曲線。為粒子能量，單位為M

在硅中，各種帶電粒子的射程——能量關(guān)系曲線。具有同樣速度的:質(zhì)子氘核氚核粒子在同一物質(zhì)中射程的關(guān)系？69在硅中，各種帶電粒子的射程——能量關(guān)系曲線。具有同樣速度3)射程歧離由于微觀上帶電粒子與物質(zhì)相互作用損失能量是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程(指單位距離引起電離或激發(fā)的次數(shù)以及每次損失的能量是隨機(jī)的，但損失能量是必然的)，因此單能粒子束中各粒子的射程是漲落的，稱為射程歧離。對(duì)圖中曲線進(jìn)行微分，得到一峰狀分布，其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程歧離。703)射程歧離由于微觀上帶電粒子與物質(zhì)相互作用損失能量是一4)相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射程之間的關(guān)系如果沒(méi)有某種“粒子——吸收體”組合的比能損失，該怎么求粒子在其中的射程？假設(shè)不同原子的阻止本領(lǐng)是可相加的。分子的阻止本領(lǐng)等于各原子的阻止本領(lǐng)的和。在物質(zhì)中，單位面積有一個(gè)分子與單位面積所有組成該分子的各原子等價(jià)。電離阻止截面：入射帶電粒子穿過(guò)單位面積只有一個(gè)原子(分子)的物質(zhì)時(shí)損失的能量。單位：714)相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射程之間的關(guān)系入射帶電粒子穿過(guò)單位面積只有一個(gè)分子的物質(zhì)時(shí)損失的能量。入射帶電粒子穿過(guò)單位面積只有一個(gè)原子的物質(zhì)時(shí)損失的能量。入射帶電粒子穿過(guò)單位面積有ni個(gè)原子的物質(zhì)時(shí)損失的能量。帶電粒子穿過(guò)單位面積有一個(gè)分子的物質(zhì)時(shí)損失的能量等于穿過(guò)單位面積組成該分子的各原子的能量損失的疊加。化合物的分子密度化合物中的能量損失率分子式第i種原子的個(gè)數(shù)化合物第i種原子的密度第i種元素中的能量損失率分子阻止截面原子阻止截面72入射帶電粒子穿過(guò)單位面積只有一個(gè)分子的物質(zhì)時(shí)損失的能量。入射化合物的分子量i元素的原子量化合物分子中i元素的原子個(gè)數(shù)Bragg－Kleemanrule:i元素的原子份額i元素的原子密度化合物的原子密度73化合物的分子量i元素的原子量化合物分子中i元素的原子個(gè)數(shù)BrA為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；為相應(yīng)物質(zhì)的密度。相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射程之間的關(guān)系可用一半經(jīng)驗(yàn)公式描述：定比定律若無(wú)法得到粒子在某些元素中的射程數(shù)據(jù)，怎么辦？多種元素組成的物質(zhì)的原子量怎么計(jì)算？74A為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；相同能量的同一種粒子在不同吸收物對(duì)由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：化合物或混合物中，第i種元素的原子百分?jǐn)?shù)。對(duì)空氣：已知粒子在空氣中的射程，可以求得粒子在其他物質(zhì)中的射程：4MeV的粒子在Si中的射程是多少?Si=2.33g/cm3，ASi=2875對(duì)由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：化合物或混5)同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子的射程之間的關(guān)系。粒子初速度的單值函數(shù)，對(duì)于同樣的v值，不同粒子取相同的數(shù)值。定比定律入射粒子的屬性765)同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子的射程之間的關(guān)系。粒子初速6)阻止時(shí)間將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)所需的時(shí)間。阻止時(shí)間T＝粒子射程R粒子的平均速度對(duì)非相對(duì)論粒子(質(zhì)量M，動(dòng)能E)：776)阻止時(shí)間將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)所需的時(shí)間。阻止時(shí)間T＝取k＝0.6單位：秒單位：米單位：u單位：MeV數(shù)MeV粒子的阻止時(shí)間

固體中：幾個(gè)ps氣體中：幾個(gè)ns4MeV的粒子在空氣和Si中的阻止時(shí)間是多少?空氣Si78取k＝0.6單位：秒單位：米單位：u單位：MeV數(shù)MeV粒4、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在薄吸收體中的能量損失可計(jì)算為：簡(jiǎn)單測(cè)厚儀原理：794、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在薄吸收體中的能5、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大質(zhì)量、很大電荷及相當(dāng)高能量的重帶電粒子。很大，射程很短隨著它在吸收體內(nèi)損耗能量而減小。減小805、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大質(zhì)量6.3快電子與物質(zhì)的相互作用1、快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)

快電子的速度大；

快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略；

快電子散射嚴(yán)重。InteractionofFastElectrons重帶電粒子相對(duì)速度小；重帶電粒子主要通過(guò)電離損失而損失能量；重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。816.3快電子與物質(zhì)的相互作用1、快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)2、快電子的能量損失率對(duì)快電子，必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失。電子電離能量損失率的Bethe公式：碰撞損失(Collisionallosses)822、快電子的能量損失率對(duì)快電子，必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電4MeV電子vs4MeV粒子在空氣中的α粒子電子、動(dòng)能均為4MeV空氣：I取作86eV相較而言，電子是弱電離粒子834MeV電子vs4MeV粒子在空氣中的α粒子電子、輻射能量損失：帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核的庫(kù)侖作用，其速度和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，會(huì)伴隨發(fā)射電磁波，即軔致輻射,從而損失能量。輻射能量損失率：?jiǎn)挝宦窂缴?，由于軔致輻射而損失的能量。量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：入射粒子的電荷數(shù)、能量及質(zhì)量吸收物質(zhì)的原子序數(shù)和單位體積的原子數(shù)84輻射能量損失：帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核的庫(kù)侖作討論：(1)：輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。當(dāng)要吸收、屏蔽射線時(shí)，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶。(2)：輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加。(3)：輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時(shí)，輻射損失大。85討論：(1)：輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m對(duì)電子，其輻射能量損失率為：電子的兩種能量損失率之比：E的單位為MeV探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量E一般不超過(guò)幾個(gè)MeV，所以，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)(大Z)的吸收材料中才是重要的。86對(duì)電子，其輻射能量損失率為：電子的兩種能量損失率之比：E的單3、快電子的吸收與射程電子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折的。電子的射程和路程相差很大。電子的射程比路程小得多。873、快電子的吸收與射程電子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折的。電子的射程和路1)單能電子的吸收與

粒子吸收的差別由于單能電子和粒子易受散射，其吸收衰減規(guī)律不同于粒子。但均存在最大射程

Rmax。射程通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：探測(cè)器源881)單能電子的吸收與粒子吸收的差別由于單能電子和對(duì)單能電子，初始能量相等的電子在各種材料中的射程與吸收體密度的乘積近似為常數(shù)：質(zhì)量厚度表示的射程單位為：89對(duì)單能電子，初始能量相等的電子在各種材料中的射程與吸單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(MeV)之間的經(jīng)驗(yàn)公式：?jiǎn)文茈娮由涑痰慕?jīng)驗(yàn)公式90單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(M137Cs源怎樣才能只“放出”，而不放出電子？若用塑料殼，=1g/cm3，則R＝Rm/=0.5cm若用塑料殼，=1g/cm3，則R＝Rm/=0.24cm91137Cs源怎樣才能只“放出”，而不放出電子？若用塑料殼，1332.51399.982%e0.0127%826.280.0076%2158.770.0011%346.930.0075%1173.23899.87%e0.0166%25050.00003%4670.00023%若用塑料殼，=1g/cm3，則R＝Rm/=0.085cm要想測(cè)量該射線，塑料厚度要遠(yuǎn)小于該值。921332.51399.982%e0.0127%8對(duì)粒子，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于時(shí)，粒子的吸收衰減曲線近似服從指數(shù)規(guī)律：為吸收體的線性吸收系數(shù)x為吸收體的厚度m為吸收體的質(zhì)量吸收系數(shù)xm

為吸收體的質(zhì)量厚度93對(duì)粒子，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于時(shí)，粒子的吸收在同一種吸收材料中，吸收系數(shù)與粒子的最大能量密切相關(guān)，能量越大吸收系數(shù)越小，可以通過(guò)測(cè)量吸收系數(shù)間接測(cè)量粒子最大能量。94在同一種吸收材料中，吸收系數(shù)與粒子的最大能量密切相關(guān)，能射線在鋁中的射程(單位為g/cm2)：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，其它典型物質(zhì)中射線的射程：Ge：R~Emax，(mm,MeV)Al：R~2Emax，(mm,MeV)Air：R~400Emax，(cm,MeV)對(duì)比：4MeV

在空氣中的射程約為2.5cm。4MeV

在空氣中的射程約為1600cm。95射線在鋁中的射程(單位為g/cm2)：當(dāng)2)電子的散射與反散射

電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量的過(guò)程稱為彈性散射。入射電子與核外電子的彈性碰撞只在能量很小(100eV)時(shí)才需要考慮。由于電子質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，稱為反散射。定義反散射系數(shù)：探測(cè)器探測(cè)器962)電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)對(duì)同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴(yán)重；對(duì)同樣能量的入射電子，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)重。對(duì)低能電子在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達(dá)50％。從實(shí)驗(yàn)曲線看出：97對(duì)同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴(yán)重；對(duì)同樣能量的入射反散射的利用與避免1)對(duì)放射源而言，利用反散射可以提高源的產(chǎn)額。2)對(duì)探測(cè)器而言，要避免反散射造成的測(cè)量偏差。給源加一個(gè)高Z厚襯底。使用低Z材料作探測(cè)器的入射窗和探測(cè)器。同時(shí)使用低Z材料薄襯底。探測(cè)器98反散射的利用與避免1)對(duì)放射源而言，利用反散射可以提高4、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化，然后在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi)，放出光子。或者，它與一個(gè)電子結(jié)合成正電子素，即電子——正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再湮沒(méi)，放出光子。正電子的特點(diǎn)是：正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為湮沒(méi)輻射。正電子湮沒(méi)時(shí)放出的光子稱為湮沒(méi)光子。正電子湮沒(méi)時(shí)一般放出兩個(gè)光子，放出三個(gè)光子的概率僅為放出兩個(gè)光子概率的0.37％。994、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒(méi)時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒(méi)光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：從動(dòng)量守恒出發(fā)：湮沒(méi)前正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零，則，湮沒(méi)后兩個(gè)湮沒(méi)光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：100從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒(méi)時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所因此，兩個(gè)湮沒(méi)光子的能量相同，各等于0.511MeV。兩個(gè)湮沒(méi)光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。PairAnnihilationPositron511keV511keVE=m0c2TwophotonstravelinexactlyoppositedirectionsElectron101因此，兩個(gè)湮沒(méi)光子的能量相同，各等于0.511MeV。正電子在材料中發(fā)生湮沒(méi)的概率：材料中的電子密度，單位1/cm3；電子的經(jīng)典半徑，光速,Z,A為材料的密度、原子序數(shù)和原子量。正電子壽命=1/P，固體中=10-10s，氣體中=10-7s102正電子在材料中發(fā)生湮沒(méi)的概率：材料中的電子密度，單位1/cmInteractionCharacteristics:主要為電離能量損失單位路徑上有多次作用——單位路徑上會(huì)產(chǎn)生許多離子對(duì)和較大的能量轉(zhuǎn)移每次碰撞損失能量少運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線在所有材料中的射程均很短HeavyChargedParticleInteractions103InteractionCharacteristics:每次ElectronsandPositronsInteractionsInteractionCharacteristics:電離能量損失和輻射能量損失單位路徑上較少相互作用——單位路徑上產(chǎn)生較少的離子對(duì)和較小的能量轉(zhuǎn)移每次碰撞損失能量多路徑不是直線，散射嚴(yán)重104ElectronsandPositronsIntera探測(cè)學(xué)中射線含義——電磁輻射特征射線：湮沒(méi)輻射：核能級(jí)躍遷正負(fù)電子湮沒(méi)產(chǎn)生特征X射線：原子能級(jí)躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運(yùn)動(dòng)方向改變產(chǎn)生105探測(cè)學(xué)中射線含義——電磁輻射特征射線：湮沒(méi)輻射：核能級(jí)躍1、射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)

光子是通過(guò)次級(jí)效應(yīng)(一種“單次性”的隨機(jī)事件)與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量并改變方向，同時(shí)產(chǎn)生次電子；

次級(jí)效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。

1061、射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)光子是通過(guò)次級(jí)效應(yīng)(一種

射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個(gè)物理量來(lái)表示作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：總截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對(duì)效應(yīng)截面107射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截2、光電效應(yīng)

PhotoelectricEffect

射線(光子)與物質(zhì)原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去(稱為光電子photoelectron)，而光子本身消失的過(guò)程，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是光子與原子整體相互作用，而不是與自由電子發(fā)生相互作用。因此，當(dāng)入射光子能量足夠高時(shí)，光電效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最緊的K層電子上。光電效應(yīng)發(fā)生后，由于原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空位，將發(fā)生發(fā)出特征X射線或俄歇電子的過(guò)程。1082、光電效應(yīng)PhotoelectricEffect1)光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。否則不能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。1091)光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光2)光電截面入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱之為光電截面。K為光電子來(lái)自K殼層的光電截面不同的殼層入射光子與內(nèi)層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率較大。前提是什么？1102)光電截面入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱對(duì)：，即非相對(duì)論情況

，經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson截面。

對(duì)：，即相對(duì)論情況

對(duì)：與吸收限有關(guān)，在吸收限

處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。重點(diǎn)注意這里111對(duì)：，即非相對(duì)論情況，經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson光電效應(yīng)截面小結(jié)：對(duì)于選擇探測(cè)器的材料的提示：對(duì)防護(hù)、屏蔽射線的提示：(1)與吸收材料Z的關(guān)系光子能量越高，光電效應(yīng)截面越小。(2)與射線能量的關(guān)系采用高原子序數(shù)的材料，可提高探測(cè)效率。采用高Z材料可以有效阻擋射線。112光電效應(yīng)截面小結(jié)：對(duì)于選擇探測(cè)器的材料的提示：對(duì)防護(hù)、屏蔽3)光電子的角分布光電子的角分布代表進(jìn)入平均角度為

方向的單位立體角內(nèi)的光電子數(shù)的比例。相對(duì)于入射光子方向的角度。在不同出射方向光電子的產(chǎn)額是不同的，這種截面對(duì)于空間的微分，也就是微分截面。+++1133)光電子的角分布光電子的角分布代表進(jìn)入平均角度為方光電子角分布的特點(diǎn)：(1)在＝0和＝180方向沒(méi)有光電子飛出；(2)光電子在哪一角度出現(xiàn)的概率最大與入射光子能量有關(guān)；當(dāng)入射光子能量較低時(shí)，光電子趨于垂直方向發(fā)射，當(dāng)光子能量較高時(shí)，光電子趨于向前發(fā)射。114光電子角分布的特點(diǎn)：(1)在＝0和＝180方3、康普頓效應(yīng)ComptonEffect

康普頓效應(yīng)是射線(光子)與核外電子的非彈性碰撞過(guò)程。作用過(guò)程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而光子受到散射，其運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生變化，稱為散射光子。

康普頓效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最松的外層電子上?？灯疹D散射可近似為光子與自由電子發(fā)生相互作用（彈性碰撞）。

“自由”電子，電離能很小。

“靜止”電子：軌道電子速度遠(yuǎn)小于光速。1153、康普頓效應(yīng)ComptonEffect康普頓效應(yīng)+++IncoherentScattering

(ComptonScattering)反沖角散射角入射光子散射光子反沖電子116+++IncoherentScattering

(Comp1)反沖電子與散射光子的能量與散射角及入射光子能量之間的關(guān)系光子的能量：光子的動(dòng)量：電子的動(dòng)能：相對(duì)論關(guān)系：電子的動(dòng)量：1171)反沖電子與散射光子的能量與散射角及入射光子能量之間的關(guān)由能量守恒由動(dòng)量守恒118由能量守恒由動(dòng)量守恒118可得到：散射光子能量：反沖電子能量：反沖角：119可得到：散射光子能量：反沖電子能量：反沖角：119小結(jié)：(2)幾種特殊情況：表明：入射光子從電子旁邊掠過(guò)，未受到散射。散射角

＝180

時(shí)，散射光子能量最小，而反沖電子能量最大。(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′大散射角

＝0

時(shí)，大于150以后，h'200keV，形成反散射峰。120小結(jié)：(2)幾種特殊情況：表明：入射光子從電子旁邊掠過(guò)，未(3)散射角

在0～180之間連續(xù)變化；反沖角在90～0相應(yīng)變化。(4)當(dāng)h<<m0c2時(shí)，h'~h，湯姆遜散射當(dāng)h>>m0c2時(shí)，Ee,max~h。121(3)散射角在0～180之間連續(xù)變化；反沖角2)康普頓散射截面入射光子與單個(gè)電子發(fā)生康普頓效應(yīng)的截面稱之為單個(gè)電子的康普頓散射截面。近似與光子能量成反比。近似與入射光子能量無(wú)關(guān)，為常數(shù)。1222)康普頓散射截面入射光子與單個(gè)電子發(fā)生康普頓效應(yīng)對(duì)整個(gè)原子的康普頓散射截面：Z

大，康普頓散射截面大；入射光子能量hν大，康普頓散射截面小。

康普頓散射截面隨入射光子能量的變化比光電效應(yīng)的要緩和。123對(duì)整個(gè)原子的康普頓散射截面：Z大，康普頓散射截面大；入射光當(dāng)入射光子能量較低時(shí)（如低于幾十keV，

）原子中的電子不能再被看成是自由電子，此時(shí)原子的康普頓散射截面用下面的公式表示：

非相干散射函數(shù)（Incoherentscatteringfunction）

已被制成表或圖，用于原子康普頓散射截面的計(jì)算

124當(dāng)入射光子能量較低時(shí)（如低于幾十keV，）原其中康普頓散射的微分截面表示散射光子落在某方向單位立體角內(nèi)的概率?？捎蒏lein－Nishina（克萊因-仁科）公式給出：125其中康普頓散射的微分截面表示散射光子落在某方向單位018090905102005102MeV5MeV126018090905102005102MeV5MeV126微分截面有時(shí)也用

表示那么，和

什么關(guān)系？127微分截面有時(shí)也用表示那么，和1281283)反沖電子的角分布和能量分布為反沖電子落在方向單位立體角內(nèi)的概率。為反沖電子落在方向單位反沖角內(nèi)的概率。1293)反沖電子的角分布和能量分布為反沖電子落在方向單位立體反沖電子的能量分布，即反沖電子的能譜。康普頓邊緣：反沖電子落在Ee處單位能量間隔的概率,即反沖電子能量為Ee值的概率。在考慮原子中電子（非自由電子）的結(jié)合能時(shí)，康普頓邊緣將不再銳利（Knoll,Fig.13.9）康普頓坪：連續(xù)分布。130反沖電子的能量分布，即反沖電子的能譜。康普頓邊緣：反沖電小結(jié)：(1)任何一種單能射線產(chǎn)生的反沖電子的動(dòng)能都是連續(xù)分布的。且存在最大反沖電子動(dòng)能，與入射光子能量h相差~200keV。(2)在最大反沖電子動(dòng)能處，反沖電子數(shù)目最多，形成康普頓邊緣，在能量較小處，存在一個(gè)康普頓坪。131小結(jié)：(1)任何一種單能射線產(chǎn)生的反沖電子的動(dòng)能都是連續(xù)4、電子對(duì)效應(yīng)PairProductionPhotonEnergy>1.022MeVPositron(+)charge靜止質(zhì)量：511keV靜止質(zhì)量：511keVElectron(-)charge正負(fù)電子來(lái)自何方？

不是從原子核中釋放的；

也不是來(lái)自原子中的軌道電子；

是射線轉(zhuǎn)化而來(lái)，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。1324、電子對(duì)效應(yīng)PairProductionPhoton電子對(duì)效應(yīng)PairProduction

電子對(duì)效應(yīng)是當(dāng)入射射線(光子)能量較高(>1.022MeV)時(shí)，當(dāng)它從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)電子的過(guò)程。

電子對(duì)效應(yīng)除涉及入射光子與電子對(duì)以外，必須有第三者——原子核的參與，否則不能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。電子對(duì)效應(yīng)要求入射光子的能量必須大于1.022MeV。133電子對(duì)效應(yīng)PairProduction電子對(duì)效應(yīng)是1)正負(fù)電子的能量由能量守恒：因此，正負(fù)電子的總動(dòng)能為：總動(dòng)能是在電子和正電子之間隨機(jī)分配的，都可以從取值。1341)正負(fù)電子的能量由能量守恒：因此，正負(fù)電子的總動(dòng)能為：總

由動(dòng)量守恒，電子和正電子應(yīng)沿著入射光子方向的前向角度發(fā)射。2)正負(fù)電子的運(yùn)動(dòng)方向

而且，入射光子的能量越高，正負(fù)電子的發(fā)射方向越是前傾。135由動(dòng)量守恒，電子和正電子應(yīng)沿著入射光子方向的前向角度3)電子對(duì)效應(yīng)的截面當(dāng)：時(shí)：電子對(duì)效應(yīng)截面隨Z的增加而增加，也隨入射光子的能量的增加而增加。當(dāng)：稍大于時(shí)：1363)電子對(duì)效應(yīng)的截面當(dāng)：時(shí)：電子對(duì)效4)電子對(duì)效應(yīng)的后續(xù)過(guò)程正電子的湮沒(méi)。如果吸收物質(zhì)足夠大，湮沒(méi)光子也被吸收，則吸收的總能量為：如果有一個(gè)湮沒(méi)光子從吸收物質(zhì)逃逸：如果兩個(gè)湮沒(méi)光子都從吸收物質(zhì)逃逸：1374)電子對(duì)效應(yīng)的后續(xù)過(guò)程正電子的湮沒(méi)。如果吸收物質(zhì)足夠大，0.511MeV的湮沒(méi)輻射正電子湮沒(méi)＋衰變電子對(duì)效應(yīng)分析能譜時(shí)，若發(fā)現(xiàn)：1380.511MeV的湮沒(méi)輻射正電子湮沒(méi)＋衰變電子對(duì)效應(yīng)分析射線與物質(zhì)相互作用小結(jié)(1)作用機(jī)制光電效應(yīng)：康普頓散射：電子對(duì)效應(yīng)：與原子整體作用，作用后光子消失，原子發(fā)射光電子。與原子的核外電子非彈性碰撞，作用后光子被散射，方向和能量改變，發(fā)射反沖電子。光子在核庫(kù)侖場(chǎng)作用下消失，生成一正負(fù)電子對(duì)。139射線與物質(zhì)相互作用小結(jié)(1)作用機(jī)制光電效應(yīng)：康普頓散(2)三種效應(yīng)的產(chǎn)物光電效應(yīng)：直接產(chǎn)物光電子；后續(xù)過(guò)程：特征X射線或俄歇電子140(2)三種效應(yīng)的產(chǎn)物光電效應(yīng)：直接產(chǎn)物光電子；后續(xù)過(guò)程：特康普頓散射：反沖電子、散射光子141康普頓散射：反沖電子、散射光子141電子對(duì)效應(yīng)：直接產(chǎn)物正負(fù)電子對(duì)；后續(xù)過(guò)程湮沒(méi)光子142電子對(duì)效應(yīng)：直接產(chǎn)物正負(fù)電子對(duì)；后續(xù)過(guò)程湮沒(méi)光子142(3)次電子能量光電效應(yīng)：

光電子能量康普頓散射：反沖電子能量電子對(duì)效應(yīng)：正負(fù)電子對(duì)能量143(3)次電子能量光電效應(yīng)：光電子能量康普頓散射：反沖電子(4)作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō)，吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大，各相互作用截面越大，其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大，康普頓散射變化最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對(duì)效應(yīng)144(4)作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō)，吸收物(5)作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小，開(kāi)始時(shí)變化劇烈，后基本成反比。電子對(duì)效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生。康普頓散射截面開(kāi)始基本為常數(shù)，隨入射光子能量增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩慢。145(5)作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光(6)三種效應(yīng)的相對(duì)重要性高，高光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)中，中低，高146(6)三種效應(yīng)的相對(duì)重要性高，高光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)康普頓147147光電截面康普頓截面電子對(duì)截面康普頓吸收截面康普頓能量散射截面總衰減截面總吸收截面148光電截面康普頓截面電子對(duì)截面康普頓吸收截面康普頓總衰減截面總能量轉(zhuǎn)移截面為了描述射線與物質(zhì)相互作用過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移性質(zhì)，人們定義了能量轉(zhuǎn)移（Energytransfer）截面或能量吸收截面。能量吸收截面的微分形式：149能量轉(zhuǎn)移截面為了描述射線與物質(zhì)相互作用過(guò)程中的能量光電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移截面：入射光子能量幾乎全部轉(zhuǎn)移給了光電子。電子對(duì)效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移截面：正負(fù)電子對(duì)帶走的能量等于

150光電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移截面：入射光子能量幾乎全部轉(zhuǎn)移給了光電子?？灯疹D效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移截面和能量散射截面：151康普頓效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移截面和能量散射截面：1511521525、其他作用過(guò)程(1)相干散射（coherentscattering）——Rayleigh散射，是低能光子與束縛電子間的彈性散射。其機(jī)制是電子在電磁輻射的作用下受迫振動(dòng)變成電偶極子，向外輻射電磁輻射，入射光子頻率不變，所以是彈性散射。而康普頓散射是非彈性散射?？灯疹D散射也被稱非相干散射(incoherentscattering)相干散射不會(huì)在探測(cè)器中形成信號(hào)，但它對(duì)光子在介質(zhì)中的輸運(yùn)規(guī)律有影響。相干散射在低能、對(duì)高Z物質(zhì)時(shí)是重要的。1535、其他作用過(guò)程(1)相干散射（coherentscat(2)湯姆遜散射(Thomsonscattering)——當(dāng)入射電磁波射向自由電子時(shí)，其電矢量使得電子震蕩，震蕩的電子發(fā)射與入射波相同頻率的輻射。對(duì)于能量較低的康普頓散射，其截面將趨向于湯姆遜散射截面154(2)湯姆遜散射(Thomsonscattering)—(3)三產(chǎn)生——當(dāng)入射光子能量大于10MeV后，在電子對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)，核外還會(huì)發(fā)射一個(gè)電子，即產(chǎn)生“一電子對(duì)”加“一反沖電子”。(4)光核反應(yīng)——當(dāng)入射光子能量大于幾MeV后，光子可以和原子核發(fā)生核反應(yīng)，如（,n）反應(yīng)等。155(3)三產(chǎn)生——當(dāng)入射光子能量大于10MeV后，在電子對(duì)產(chǎn)6、物質(zhì)對(duì)射線的吸收(1)

窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律為光子與吸收物質(zhì)作用的截面；N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)；I0為射線入射強(qiáng)度；D為吸收物質(zhì)厚度。1566、物質(zhì)對(duì)射線的吸收(1)窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律為解上面的微分方程：在x～x+dx層內(nèi)單位時(shí)間光子數(shù)的變化為：等于在該層物質(zhì)內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生的次級(jí)效應(yīng)數(shù)。光子束通過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為：157解上面的微分方程：在x～x+dx層內(nèi)單位時(shí)間光子數(shù)的變化為：線性衰減系數(shù)又稱為宏觀截面(2)

衰減系數(shù)問(wèn)題：水、冰、雪、水蒸汽對(duì)衰減的異同是什么？158線性衰減系數(shù)又稱為宏觀截面(2)衰減系數(shù)問(wèn)題：水、冰、雪、質(zhì)量衰減系數(shù)：質(zhì)量厚度：質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。159質(zhì)量衰減系數(shù)：質(zhì)量厚度：質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。159與帶電粒子不同，射線沒(méi)有射程的概念。窄束射線強(qiáng)度衰減服從指數(shù)衰減規(guī)律，只有衰減系數(shù)及相應(yīng)的半衰減厚度和平均自由程的概念。(3)

半衰減厚度和平均自由程半衰減厚度：射線在物質(zhì)中強(qiáng)度減弱一半時(shí)的厚度。平均自由程：160與帶電粒子不同，射線沒(méi)有射程的概念。窄束射線強(qiáng)度衰例題：已知：鉛的密度為11.34g/cm3，求這兩種γ光子在鉛中的線性衰減系數(shù)，質(zhì)量衰減系數(shù)，半衰減厚度和平均自由程。解：鉛對(duì)137Cs的0.662MeV和60Co的1.33MeV的γ射線的作用截面分別為：161例題：已知：鉛的密度為11.34g/cm3，求這兩種γ光子在162162163163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、測(cè)量時(shí)的幾何條件有關(guān)。(4)

非窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律積累因子164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：直射單能粒子束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0>E1>E2>E3I0=I1=I2=I3能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)能量和強(qiáng)度的變化165單能粒子束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0>E單能電子束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0>E1>E2>E3I0>I1>I2>I3能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程概念射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)能量和強(qiáng)度的變化166單能電子束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0>E1單能射線束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0＝E1＝E2＝E3I0>I1>I2>I3能量不變；強(qiáng)度改變；無(wú)射程概念；半吸收厚度。射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)能量和強(qiáng)度的變化167單能射線束E0，I0E1，I1E2，I2E3，I3E0＝EAl，1MeV3m1.8mm1800m600倍4.3cm43000m14333倍168Al，1MeV168第六章

輻射與物質(zhì)的相互作用169第六章

輻射與物質(zhì)的相互作用1主要內(nèi)容0、微觀粒子的基本性質(zhì)1、輻射與物質(zhì)相互作用概述2、重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用3、快電子與物質(zhì)的相互作用4、電磁輻射與物質(zhì)的相互作用5、其他170主要內(nèi)容0、微觀粒子的基本性質(zhì)2一、粒子的分類及主要性質(zhì)

按粒子參與相互作用的情況來(lái)分類強(qiáng)子—參與強(qiáng)相互作用的粒子重子—自旋為1/2和半整數(shù)的強(qiáng)子，是費(fèi)米子，服從費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如：質(zhì)子、中子、各類超子。介子—自旋為整數(shù)的強(qiáng)子，是玻色子，服從玻色－愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如：，k，……輕子—不參與強(qiáng)相互作用的，自旋為1/2的粒子，如：電子，子，子，各類中微子，……場(chǎng)量子—自旋為1，傳遞相互作用的粒子，它們是光子，膠子，W、Z中間玻色子。6.0微觀粒子的基本性質(zhì)171一、粒子的分類及主要性質(zhì)6.0微觀粒子的基本性質(zhì)3一、電子質(zhì)量最輕的穩(wěn)定粒子。

衰變：原子核內(nèi)質(zhì)子和中子互相轉(zhuǎn)換的過(guò)程－衰變＋衰變軌道電子俘獲EC

易俘獲k層電子，稱作k俘獲，并伴隨x射線發(fā)射或俄歇效應(yīng)發(fā)生。反電子中微子電子中微子172一、電子質(zhì)量最輕的穩(wěn)定粒子。反電子中微子電子中微子4

三個(gè)過(guò)程都涉及三個(gè)物體：粒子、中微子和反沖核，由于衰變過(guò)程中能動(dòng)量守恒，所以粒子的能量由零到最大都有，粒子能譜是連續(xù)譜。粒子能譜是連續(xù)譜173三個(gè)過(guò)程都涉及三個(gè)物體：粒子、中微子和反沖核一些純電子源174一些純電子源6內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量從keV到MeV，為單能。

處于激發(fā)態(tài)的原子核通過(guò)把能量交給核外電子退激發(fā)，核外電子把獲得能量的一部分用以克服結(jié)合能，其余作為電子的動(dòng)能脫離原子。

175內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量從keV到MeV，為單能。處于激發(fā)俄歇電子俄歇電子能量比粒子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量低。俄歇效應(yīng)與x射線發(fā)射是互相競(jìng)爭(zhēng)的兩個(gè)過(guò)程。原子內(nèi)殼層失去一個(gè)電子出現(xiàn)一個(gè)空穴時(shí)，外殼層電子就可能躍遷來(lái)填補(bǔ)空穴，同時(shí)發(fā)射x射線。若不發(fā)射x射線而將能量交給另一個(gè)殼層電子，使其克服結(jié)合能而發(fā)射出去，這個(gè)過(guò)程就是俄歇效應(yīng)，打出的電子就是俄歇電子。

電子加速器如BES、LEP等，加速后的電子能量可達(dá)GeV量級(jí)。176俄歇電子81779二、重帶電粒子質(zhì)子

H原子核，mp=938MeV=1836me，帶1個(gè)正電荷。粒子

He原子核，由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，帶2個(gè)正電荷。衰變核裂片重核裂變產(chǎn)生兩個(gè)裂變碎片。根據(jù)動(dòng)量守恒，每個(gè)碎片向相反方向發(fā)射。是帶多電荷的正離子。如235U吸收一個(gè)慢中子裂變產(chǎn)生兩個(gè)裂片，質(zhì)量小的平均質(zhì)量數(shù)m1=96，總電荷Q1＝20e；質(zhì)量大的平均質(zhì)量數(shù)m2=139，總電荷Q2＝72e。重離子Z>2的離子，核裂片是其中一種，存在與宇宙線中，也可以通過(guò)把原子的核外電子直接剝離產(chǎn)生，一般用重離子加速器產(chǎn)生并加速，以增加其能量。178二、重帶電粒子質(zhì)子H原子核，mp=938MeV=1836Bi的衰變及Tl的能級(jí)179Bi的衰變及Tl的能級(jí)11三、射線和x射線電磁波，靜止質(zhì)量為0，具有波粒二象性。波長(zhǎng)比普通光波短很多，波長(zhǎng)<x波長(zhǎng)，粒子性更突出，常稱光子。能量動(dòng)量

h普朗克常數(shù)，v振動(dòng)頻率，c光速，波長(zhǎng)

180三、射線和x射線電磁波，靜止質(zhì)量為0，具有波粒二象性。12射線產(chǎn)生處于激發(fā)態(tài)的原子核向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)射射線。對(duì)實(shí)驗(yàn)室中使用的大多數(shù)輻射源來(lái)說(shuō)，受激核態(tài)是在放射性母核經(jīng)、衰變過(guò)程中形成的，所以射線常常伴隨、射線產(chǎn)生。正反粒子湮滅發(fā)射射線。如正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生