射線與物質(zhì)相互作用

射線與物質(zhì)相互作用第1頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月《輻射探測技術(shù)基礎(chǔ)》課程講授的主要內(nèi)容

本課程的理論學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括：放射性測量的基本知識(shí)（4學(xué)時(shí)）；射線與物質(zhì)相互作用（4學(xué)時(shí)）；γ射線測量方法（3學(xué)時(shí)）；核輻射測量的統(tǒng)計(jì)誤差和數(shù)據(jù)處理（4學(xué)時(shí)）；帶電粒子測量方法（6學(xué)時(shí)）；核輻射測量單位及核輻射防護(hù)（3學(xué)時(shí)）；第2頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章射線與物質(zhì)相互作用§2.1概述§2.2α粒子與物質(zhì)的相互作用§2.3β射線與物質(zhì)的相互作用§2.4射線與物質(zhì)的相互作用§2.5射線在物質(zhì)中的衰減§2.6中子與物質(zhì)的相互作用第3頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述第4頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程：具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子發(fā)生相互作用。這些相互作用是入射帶電粒子所帶電荷與原子中核外電子、原子核發(fā)生的庫侖相互作用。這些相互作用引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損失，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電粒子在相互作用過程中逐漸慢化。當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過原子核的庫侖位壘，并與原子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論發(fā)生核反應(yīng)的情況。第5頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：作用對(duì)象：原子（核外電子）；原子核作用方式：載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(1)

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程(2)

輻射損失－帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程(3)帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(4)帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞第6頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離過程：如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子核的束縛，則電子將脫離原子，成為自由電子。而原子因失去了一個(gè)電子，而成為正離子。原子最外層的電子受原子核的束縛最弱，最容易發(fā)生在最外層電子。若發(fā)射出來的電子有足夠的動(dòng)能，可進(jìn)一步使其它原子發(fā)生電離作用。這些高速電子被稱為δ電子。內(nèi)殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。第7頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月激發(fā)過程：如果入射粒子傳遞給電子的能量較少，不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由電子，但可以使原子從低能態(tài)躍遷到相對(duì)高能級(jí)狀態(tài)，這種過程叫激發(fā)。處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬間將由高能態(tài)躍遷回基態(tài)（退激）。退激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。

帶電粒子與靶原子中核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方式——把這種相互作用方式引起的能量損失稱為電離損失。第8頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)入射帶電粒子與靶原子中核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失入射粒子的能量——把這種相互作用方式引起的能量損失稱為電離損失。載能入射帶電粒子靶物質(zhì)（原子）第9頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程核庫侖作用入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，它與原子核之間的庫侖力作用，使入射粒子受到吸引或排斥，從而改變?nèi)肷淞Ｗ拥乃俣群瓦\(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為輻射損失。入射粒子這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射—軔致輻射(bremsstrahlung)。α粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。β粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，對(duì)β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。第10頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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侖場作用而發(fā)生彈性散射。彈性碰撞過程中，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)。核庫侖作用反沖彈性散射過程中，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)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變。第11頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月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之為核碰撞能量損失，我們把原子核對(duì)入射粒子的阻止作用稱為核阻止。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程。α粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。β粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子位移，形成缺陷，即造成物質(zhì)輻射損傷。第12頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月四、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受核外電子的庫侖力作用，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，電子的能量狀態(tài)沒有變化，在此過程中不發(fā)射輻射。這種相互作用方式只是在極低能量(<100eV)的β入射粒子才需要考慮，其它情況下完全可以忽略掉。原子庫侖作用反沖實(shí)際上，與核外電子的彈性碰撞是入射粒子與整個(gè)靶原子的相互作用。第13頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的吸收過程：如果靶物質(zhì)厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原子核經(jīng)過多次彈性和非彈性碰撞，發(fā)生能量損失和角度偏轉(zhuǎn)，快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子被慢化，最后帶電粒子的動(dòng)能全部耗盡，停留在靶物質(zhì)中。即入射帶電粒子被物質(zhì)吸收了。對(duì)MeV量級(jí)的α粒子和質(zhì)子，整個(gè)慢化過程所用的時(shí)間為：毫微秒（氣體物質(zhì)中）~微微秒（固體物質(zhì)中）。上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質(zhì)中單個(gè)原子的作用。實(shí)際上，帶電粒子進(jìn)入靶物質(zhì)后，會(huì)遭到許多原子的許多次這樣的碰撞作用。第14頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用方式的幾率大小，對(duì)于不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區(qū)域，情況完全不同。同一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質(zhì)元素也有關(guān)系。這些相互作用中的各種作用方式對(duì)入射帶電粒子的阻止作用的貢獻(xiàn)大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要貢獻(xiàn)的相互作用，而忽略其它的相互作用。在討論帶電粒子與物質(zhì)相互作用的時(shí)候，需要區(qū)分“輕”帶電粒子（如：電子和正電子）和“重”帶電粒子（如：質(zhì)子、氘核d、α粒子等），以及區(qū)分快速和慢速粒子，來分別進(jìn)行討論。小結(jié)：第15頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)α粒子與物質(zhì)的相互作用第16頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式α粒子是氦(4He)的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。

天然核素衰變放出的α粒子能量在4~8MeV。初始速度約在(1~2)×109cm/s。α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是電離與激發(fā)。由于α為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。重帶電粒子(HeavyChargedParticles)：指質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多的帶電粒子。如α粒子、質(zhì)子p、氘核d等。本節(jié)將具體討論α粒子與物質(zhì)的相互作用。第17頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、α粒子的射程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。

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。討論：

⑴一般文獻(xiàn)中列出的射程都是指平均射程，因此α粒子的射程用平均射程代表；

⑵α粒子是重粒子，射程漲落小。5MeV的α粒子，射程漲落只有~1％；⑶在同一物質(zhì)中，α粒子的射程與初始能量有關(guān)，能量越大，射程越長；入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長度稱作路程(Path)。第18頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷能量為4~8MeV的α粒子，在空氣中射程可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中，R0為α粒子在101324.72Pa，15oC的空氣中的射程(cm)；E為α粒子的能量(MeV)。天然α粒子在空氣中的射程有表可查（教材P48，表2-1）。⑸對(duì)于4~8MeVα粒子在其他物質(zhì)中射程，可以用它在空氣中的射程R0來計(jì)算（采用布喇格－克利曼經(jīng)驗(yàn)公式）：式中，ρ—介質(zhì)密度（g/cm3）；Am—介質(zhì)原子核質(zhì)量數(shù)；R—α粒子在除空氣外的其它介質(zhì)中的射程（cm）。第19頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：式中：ni和Ai分別表示第i種物質(zhì)成分的相對(duì)含量和原子質(zhì)量數(shù)。對(duì)空氣（主要由N2和O2構(gòu)成）：例：210Po，放射源，E=5.3MeV，計(jì)算其在空氣中和鋁（A=27，=2.7g/cm3

）中的射程。E=5.3MeV在空氣中的射程R0=3.8cm在鋁中的射程R=23.4m

A=27=2.7g/cm3α粒子在固體介質(zhì)中的射程很小第20頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月⑹天然α粒子在空氣中的射程最大為8.62cm（212Po，能量8.785MeV）。

⑺相同能量的α粒子在不同物質(zhì)中的射程不同。⑻α粒子在液體與固體物質(zhì)中的射程為空氣中的千分之一。實(shí)際上一張紙就可以完全擋住天然α粒子。第21頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）平均電離能α粒子產(chǎn)生的電離：原電離、次級(jí)電離原電離—由α粒子與原子殼層電子直接作用形成的電離；次級(jí)電離—原電離中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他原子作用產(chǎn)生的電離?？傠婋x=原電離+次級(jí)電離平均電離能(W)—每產(chǎn)生一對(duì)離子（包括原電離與次級(jí)電離），帶電粒子（如α粒子）所損耗的平均能量。N—初始動(dòng)能為E的帶電粒子被介質(zhì)完全阻止時(shí)形成的離子對(duì)數(shù)。α粒子在空氣中產(chǎn)生一對(duì)離子所損耗的平均能量(W值)約35.5eV。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-帶電粒子在穿過介質(zhì)的路徑上經(jīng)電離作用產(chǎn)生的電子和正離子對(duì)三、α粒子與核外電子的作用第22頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）比電離（電離密度）入射帶電粒子（如α粒子）在每單位長度路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)總數(shù)稱比電離（或電離密度）。下圖表示了α粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系：電離能量損失率與比電離、平均電離能之間的關(guān)系：比電離：W—平均電離能—電離能量損失率第23頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月α粒子剛進(jìn)入介質(zhì)中時(shí)，速度快，與介質(zhì)原子的作用時(shí)間短，比電離?。辉谏涑棠┒饲?，α粒子速度慢，作用時(shí)間長，有極大值；此后，能量耗盡，比電離快速衰減到0。

α粒子在空氣中的比電離約6600離子對(duì)/mm，產(chǎn)生此峰值α的粒子能量約700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。在曲線開始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末端，比電離值很快增加，過了峰值之后曲線急劇下降而趨于零，此時(shí)即到達(dá)了射程的末端。原因第24頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月四、α粒子與原子核的作用α粒子與核作用形式：盧瑟福散射、核反應(yīng)盧瑟福散射—α粒子與核庫侖場作用而改變方向；核反應(yīng)—α粒子進(jìn)入原子核，使原來的原子核發(fā)生根本性變化，即產(chǎn)生新核并放出1個(gè)或幾個(gè)粒子。記為A（α,b）B。幾個(gè)利用α射線完成的著名的核反應(yīng)：利用210Po放出的α粒子轟擊9Be制成的靶，可以產(chǎn)生12C和中子（查德威克1932），導(dǎo)致中子的發(fā)現(xiàn)：世界上第一個(gè)制造的人工放射性核素：1934年，小居里夫婦（約里奧.居里夫婦）第25頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一個(gè)人工核反應(yīng)：開辟了人工方法變革原子核的基本途徑，人類能夠?qū)⒁环N元素變成另一種元素，實(shí)現(xiàn)了中世紀(jì)“煉金術(shù)士們”的夢想。1919年，盧瑟福214Po

α

7.68MeV第26頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)β射線與物質(zhì)的相互作用第27頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、β粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式（一）彈性散射β粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，僅改變運(yùn)動(dòng)方向，動(dòng)能不變的作用過程（也不輻射能量）

。含義：彈性散射是低能β粒子與物質(zhì)作用的主要形式。根據(jù)量子力學(xué)的理論，有：對(duì)單個(gè)原子核，β粒子散射到θ角的概率與靶物質(zhì)的原子序數(shù)平方成正比，與β粒子的動(dòng)能成反比：而對(duì)于β粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比：對(duì)于一定能量的β粒子，它被原子核及殼層電子的散射幾率的比值為：對(duì)于中等元素與重元素，散射形式主要是原子核散射第28頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月反散射：由于β粒子(電子)質(zhì)量小，因而散射角度可很大，而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，β粒子(電子)沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，又從入射表面發(fā)射出來(θ>90°)，稱為反散射。從實(shí)驗(yàn)曲線看出：對(duì)同種材料，入射β粒子(電子)能量越低，反散射越嚴(yán)重；對(duì)同樣能量的入射β粒子(電子)，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)重。對(duì)低能β粒子(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％。反散射系數(shù)η：I0—源發(fā)出β射線強(qiáng)度的初始值；I—未發(fā)生反散射的β射線強(qiáng)度。第29頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

β粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡：β粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過物質(zhì)的厚度大很多，一般是1.5~4倍。由于β粒子受到軌道電子或原子核的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此，β粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線，而是一條不規(guī)則的折線。β粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折的。β粒子的射程和路程相差很大。β粒子的射程比路程小得多。特征：第30頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）電離與激發(fā)β粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的20~30％；次級(jí)電離約占70~80％。根據(jù)電子(β粒子)電離能量損失率的Bethe公式有：m0，e—電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v—電子的電荷數(shù)與速度；β＝v/c，c—光速；Z—介質(zhì)的原子序數(shù)；N—介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I—吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E—入射電子動(dòng)能；第31頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）韌致輻射輻射能量損失：

帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核的庫侖作用(與原子核的非彈性碰撞過程)，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。

韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線，其能量與入射帶電粒子動(dòng)能處于同一數(shù)量級(jí)。原子核入射粒子為單能粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的能量；入射粒子為β粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射β粒子的平均能量；第32頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射能量損失率：單位路徑上，由于軔致輻射而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)中損失的能量。量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：第33頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：⑴：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。即：電子的輻射損失比α粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。⑵：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。⑶：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。因此高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射，從而常用較低原子序數(shù)的介質(zhì)（輕介質(zhì)）去屏蔽韌致輻射射線。第34頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)要吸收、屏蔽β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)選用重材料作靶物質(zhì)。⑷對(duì)電子，其輻射能量損失率為：探測學(xué)中所涉及快電子的能量E

一般不超過幾個(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。電子的兩種能量損失率之比：E—入射電子的能量E的單位為MeVZ—吸收材料的原子序數(shù)第35頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)β粒子能量為10MeV，Z＝82(Pb)，電離能量損失率與輻射能量損失率近似相等。天然放射性元素發(fā)生β衰變放出的β粒子，其能量一般小于3MeV：

與一般巖石(Z較小)等作用時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)；但當(dāng)β粒子通過介質(zhì)的原子序數(shù)較高時(shí)，韌致輻射損耗仍占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。PbAl例：214Bi的β粒子(E=3.17MeV)通過鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：E—入射電子的能量E的單位為MeVZ—吸收材料的原子序數(shù)第36頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)β粒子能量為3MeV時(shí)，它打到鉛室上會(huì)產(chǎn)生韌致輻射射線，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。在β測置裝置的鉛室內(nèi)壁，往往襯上一層輕物質(zhì)屏（如鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以減少散射射線和韌致輻射射線。引起的問題：解決方案：⑸韌致輻射射線也被用來作為低能X射線源：軔致輻射釋放的X射線，可作為X射線源，用于X射線熒光分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。如：氚(T)是β輻射體，其β粒子最大能量為18KeV，T發(fā)射β粒子打在鈦靶或鋯靶上，可產(chǎn)生n~n×10KeV的X射線。常把這一X射線用作較低能量的X射線熒光分析的射線源。第37頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）線阻止本領(lǐng)S在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子），帶電粒子主要的能量損失方式是碰撞電離損失和軔致輻射損失。總的線阻止本領(lǐng)

S

為：總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)S/ρ

為：單位：Jm2kg-1ρ—靶物質(zhì)的密度第38頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）正電子（+粒子）的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。電子與物質(zhì)相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過程。正電子的特點(diǎn)：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，放出光子?；蛘?，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，放出光子。湮沒輻射：正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射。湮沒光子：正電子湮沒時(shí)放出的光子稱為湮沒光子。由能量守恒和動(dòng)量守恒可得：兩個(gè)湮沒光子的能量相同，各等于0.511MeV。而兩個(gè)湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。第39頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化效率(100%）

第40頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、β射線在物質(zhì)中的衰減（一）β射線被物質(zhì)吸收研究表明，對(duì)β射線，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度d遠(yuǎn)小于時(shí)，β射線的吸收衰減曲線近似服從指數(shù)規(guī)律：對(duì)于天然核素放出的β射線，在物質(zhì)中的衰減近似遵從指數(shù)衰減規(guī)律?；?/p>

m—吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：cm2/g)；dm—吸收體的質(zhì)量厚度(單位：g/cm2)；—吸收體的線衰減(或線吸收)系數(shù)(單位：cm-1)；d—吸收體的厚度(單位：cm)；I0—入射β射線的強(qiáng)度；第41頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月半吸收厚度（半衰減層厚度）：β射線在物質(zhì)中的強(qiáng)度衰減到一半所經(jīng)過的厚度。射程R：β射線經(jīng)過10倍半吸收厚度，強(qiáng)度減少為初始值的1/1024。小于1/1000，可近似認(rèn)為β射線已被介質(zhì)完全吸收。故將10倍半吸收厚度定義為β射線的射程。(單位：cm)同理有，質(zhì)量厚度：(單位：g/cm2)(單位：cm)(單位：g/cm2)第42頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

β射線的射程計(jì)算：對(duì)于具有連續(xù)能譜的β粒子，吸收曲線的大部分可用以下指數(shù)函數(shù)描述：

m—吸收體的質(zhì)量衰減系數(shù)(單位：cm2/g)；dm—吸收體的質(zhì)量厚度(單位：g/cm2)；

質(zhì)量衰減系數(shù)與β粒子最大能量Em(以MeV為單位)之間有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：(單位：g/cm2)β射線的射程：第43頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）放射層中β射線的自吸收放射層的自吸收：當(dāng)β輻射層（β射線放射層）具有一定厚度時(shí)，層中某一點(diǎn)的β射線穿過放射層時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生吸收作用（被衰減），稱為放射層的自吸收作用。

β射線強(qiáng)度與放射層厚度的關(guān)系：由于自吸收作用，射線的強(qiáng)度不會(huì)隨放射層厚度的增加而線性增長。對(duì)β射線來說，存在以下關(guān)系（推導(dǎo)略）：I/I∞hh—放射層厚度；—放射層的自吸收系數(shù)；I∞—β射線飽和層的β射線強(qiáng)度；1.0第44頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)放射層較薄時(shí)，β射線強(qiáng)度隨厚度增加而線性增大。

分析：當(dāng)放射層有一定厚度時(shí)，β射線強(qiáng)度增加較緩慢。

應(yīng)用：從天然放射性礦石的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，β射線飽和層厚度不太大，在數(shù)值上等于被測對(duì)象中能量最大的β射線的射程。I/I∞h1.0當(dāng)放射層增加到某一厚度時(shí)，β射線強(qiáng)度不再隨厚度增加而增加，這個(gè)厚度稱為β射線的飽和層厚度。第45頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月查表可知：鈾系中β射線最大能量為3.17MeV(輻射體為214Bi)，射程為1.54g/cm2(以質(zhì)量厚度dm表示射程)。當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，β射線飽和層厚度d為：查表可知：釷系中β射線最大能量為2.25MeV(輻射體為212Bi)

，射程為1.02g/cm2(以質(zhì)量厚度dm表示射程)

。當(dāng)?shù)V石粉末密度為1.54g/cm3時(shí)，β射線飽和層厚度d為：第46頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)γ射線與物質(zhì)的相互作用第47頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述（一）射線是什么

射線、韌致輻射、湮沒輻射和特征X射線等，雖然它們的起源不一、能量大小不等，但都屬于電磁輻射。

電磁輻射譜E=h,=c/小能量高大能量低第48頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月能量E=hν

動(dòng)量p=hν/cγ射線是波長很短能量高的電磁輻射（﹤10-11米，keV，MeV），來自原子核γ衰變,不帶電，靜止質(zhì)量0。

射線具有波、粒二象性，因此也被稱為光子；

光子在物質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)。第49頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

幾種電磁輻射的區(qū)別：第50頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月γ射線對(duì)物質(zhì)的間接電離作用

兩步過程產(chǎn)生載能次級(jí)電子次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離第1步第2步三種相互作用方式：光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)

γ射線與物質(zhì)原子作用γ射線（二）射線與物質(zhì)作用的能量損失方式第51頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光電效應(yīng)(PhotoelectricEffect)（一）作用機(jī)制自由電子原子受激原子光子與原子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給原子，殼層中某一個(gè)內(nèi)層電子獲得動(dòng)能，克服原子束縛成為自由電子，而光子本身消失，這種過程稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子叫光電子。第52頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）光電效應(yīng)的基本理論問題1、發(fā)生光電效應(yīng)的條件入射光子的全部能量轉(zhuǎn)移給靶原子其中一部分能量用于使殼層電子脫離原子核束縛所需的電離能(電子在原子中的結(jié)合能)另一部分能量轉(zhuǎn)化為出射光電子的動(dòng)能還有一小部分能量用于靶原子核反沖(才能滿足動(dòng)量守恒，這部分能量很小，可忽略)發(fā)生光電效應(yīng)的條件：(入射光子的能量必須大于殼層電子的結(jié)合能)如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，光電子的動(dòng)能等于入射光子的能量與電子的電離能之差。第53頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月光電子的動(dòng)能：

其中：—光電子的動(dòng)能；—入射光子的能量；—原子的第i殼層電子的電離能。2、光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)在光電效應(yīng)過程中，除入射光子和光電子外，還需要有一個(gè)第三者參加，可認(rèn)為是原子核，嚴(yán)格來講是發(fā)射光電子之后剩余下來的整個(gè)原子(它帶走一些反沖能量，但這能量很小)。根據(jù)動(dòng)量守恒要求

推論：

光子只能與原子的束縛電子（實(shí)際是整個(gè)原子）發(fā)生光電效應(yīng)，而不能與自由電子發(fā)生光電效應(yīng)。第54頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月3、各殼層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率之比

理論上靶原子各殼層的電子都可以吸收光子能量而發(fā)射出來成為光電子，所以，K層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大：~80%；L層次之、M層更小。但電子在原子中束縛得越緊，就越容易使原子核參加相互作用過程，發(fā)生光電效應(yīng)的幾率就越大。K：L：M＝100：10：1第55頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月4、原子的退激發(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)狀態(tài)。這種激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，靶原子可以通過兩種方式退激：入射γ射線光電子特征X射線⑴發(fā)射特征X射線：外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子恢復(fù)到較低的能量狀態(tài)。躍遷過程中，以特征X射線的形式釋放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差。式中：h—普朗克常數(shù)；c—光速；Z—原子序數(shù)； n1，n2—?dú)与娮榆S遷前后所處殼層的主量子數(shù)；an—正數(shù)，與內(nèi)殼層的電子數(shù)目有關(guān)；R—里德伯常數(shù)。（莫塞萊定律）第56頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月從上式可以看出：（與原子序數(shù)的平方成正比）外層電子躍遷過程中釋放的電磁輻射是一種X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，都是特征的，故稱其為“特征X射線”。每個(gè)元素所發(fā)射的特征X射線能量是特定的；反之，根據(jù)K系、L系的特征X射線能量，可用來探測某個(gè)元素的存在。特征X射線強(qiáng)度的高低，表明某介質(zhì)中存在該元素含量的高低，這就是X射線熒光分析的理論依據(jù)。⑵發(fā)射俄歇電子：殼層電子在躍遷過程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能交給外殼層的一個(gè)電子，使它從原子中發(fā)射出來。這個(gè)電子稱為俄歇電子。俄歇電子第57頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月俄歇電子如果在L層電子向K層電子躍遷中不發(fā)射特征X射線，則所發(fā)射的俄歇電子的能量等于：式中：E俄歇—俄歇電子的能量；

BK、BL—靶原子K層與L層的結(jié)合能。5、光電子的能量如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫出光電子的動(dòng)能為：

其中：—光電子的動(dòng)能；—入射光子的能量；—原子的第i殼層電子的電離能。第58頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于原子序數(shù)為Z的原子，其各殼層的電子的結(jié)合能可以用以下的近似公式計(jì)算：以能量為單位的里德伯常數(shù)：R=2.179×10-18J=13.6eV可見：電子的結(jié)合能Bi與原子序數(shù)Z和殼層的層次都有關(guān)。由于γ光子能量一般為MeV級(jí)，遠(yuǎn)大于殼層電子結(jié)合能，如：I的BK=33keV。對(duì)于通常所以：第59頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月6、光電效應(yīng)截面

原子的光電截面：含義：一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率。相關(guān)因素：光電效應(yīng)截面與入射光子能量和靶物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)。σph為原子與入射光子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；σK為入射光子在K層發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；在非相對(duì)論情況下，即：在相對(duì)論情況下，即：其中：當(dāng)靶物質(zhì)為復(fù)雜物質(zhì)時(shí)，式中Z應(yīng)為有效原子序數(shù)：式中n在2.2~4間選擇可見：光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層。第60頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

物質(zhì)的光電截面：

討論：

⑴在以上兩種情況下，都有σ∝Z5，隨Z的增大，光電截面迅速增大。

原因：光電效應(yīng)是光子與束縛電子的作用，Z越大，則電子在原子中束縛得越緊，越容易使原子核參與光電過程來滿足能量和動(dòng)量守恒要求，因而產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率就越大。（在非相對(duì)論情況下：）（在相對(duì)論情況下：）第61頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑵σ隨hv的增加而減小。低能時(shí)，σ∝(hν)-3.5，減小得更快一些；高能時(shí)，σ∝(hν)-1，變化緩慢一些。（在非相對(duì)論情況下：）（在相對(duì)論情況下：）

原因解釋：射線能量低時(shí)，相對(duì)而言，電子被束縛得也就越緊，越容易發(fā)生光電效應(yīng)；而當(dāng)射線能量高時(shí)，電子的束縛能相對(duì)來說可忽略不計(jì)，這種電子接近“自由電子”，所以光電效應(yīng)截面就小。即：對(duì)于低能時(shí)，電子相對(duì)束縛緊些，更易發(fā)生光電效應(yīng)。應(yīng)用：對(duì)于選擇探測器的材料的提示：采用高原子序數(shù)的材料，可提高射線的探測效率。對(duì)防護(hù)、屏蔽射線的提示：采用高Z材料（如Pb）可以有效阻擋射線。第62頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收限：產(chǎn)生條件：吸收限是在入射光子能量與K、L、M層電子的結(jié)合能相一致時(shí)出現(xiàn)的（吸收限等于相應(yīng)殼層電子結(jié)合能）。

原因：當(dāng)光子能量逐漸增加到等于某一層電子的結(jié)合能時(shí)，這一殼層的電子就對(duì)光電作用有貢獻(xiàn)。因而σph就階躍式地上升到某一較高數(shù)值，然后又隨能量的增加而下降。含義：當(dāng)hv<100KeV時(shí)，光電截面隨入射光子能量變化顯示出特征性的鋸齒性結(jié)構(gòu)，這種尖銳的突變點(diǎn)，稱為吸收限。右圖是鉛的吸收曲線：

K吸收限為88.3KeV。對(duì)L，M層電子，存在著子殼層，各子殼層的結(jié)合能有差異，因而吸收曲線中對(duì)應(yīng)于L吸收限和M吸收限存在精細(xì)結(jié)構(gòu)。

L層有3個(gè)吸收限，M層有5個(gè)吸收限。Pb的L3吸收限為13.06KeV，L2吸收限為15.26KeV，L1吸收限為15.91KeV。第63頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月所以，低能光子通過重物質(zhì)時(shí)，光電效應(yīng)顯著，隨著光子能量的增大，光電效應(yīng)明顯降低。光子通過輕物質(zhì)時(shí)，光電效應(yīng)一般不明顯?？梢姡弘S著入射光子能量的增大，σph變??；隨著吸收物質(zhì)原子序數(shù)的增大，σph增大。右圖給出不同吸收物質(zhì)的光電截面與光子能量的關(guān)系：吸收(限)原子的光電截面與入射光子能量的關(guān)系第64頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月三、康普頓效應(yīng)(ComptonEffect)（一）康普頓效應(yīng)的概念hν和hν’為入射和散射光子的能量，Ee為反沖電子的能量；θ為散射光子與入射光子方向之間的夾角，稱為散射角；φ為反沖電子的反沖角。在康普頓效應(yīng)中，光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化?！?/p>

康普頓散射可近似為光子與自由電子發(fā)生相互作用。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效應(yīng)也被稱為康普頓—吳有訓(xùn)效應(yīng)。第65頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的區(qū)別:①光電效應(yīng)中光子本身消失，能量完全轉(zhuǎn)移給電子；而康普頓效應(yīng)中反沖電子只獲得光子的一部分能量，并且作用后仍然存在散射光子。②光電效應(yīng)主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上，而康普頓效應(yīng)發(fā)生在外層電子上。（二）散射光子和反沖電子的能量與角度關(guān)系根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，可得：’其中，hν、hν’、Ee分別為入射光子、散射光子的能量、反沖電子的動(dòng)能；hν/c、hν’/c、mv分別為入射光子、散射光子、反沖電子的動(dòng)量。第66頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月散射光子的能量為：反沖電子的動(dòng)能為：θ和φ之間的關(guān)系為：①當(dāng)散射角

=0o時(shí)：Er’＝Er()。這時(shí)散射光子的能量最大，等于入射光子能量，而反沖電子能量為0。這表明，此時(shí)入射光子從電子旁掠過，未受到散射，光子能量沒有損失。

結(jié)論：’第67頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月②當(dāng)散射角

=180o時(shí)：入射光子與電子對(duì)心碰撞后，沿相反方向散射回來，而反沖電子則沿入射光子方向飛出。此時(shí)散射光子能量最小而反沖電子的動(dòng)能達(dá)到最大值。通過實(shí)際測量表明，對(duì)不同能量的入射光子，反散射光子的能量變化不大，大約都在200KeV左右。’從散射光子的能量表達(dá)式可見，隨入射光子能量變化緩慢。入射光子與對(duì)應(yīng)的反散射光子能量值（單位：MeV）入射光子能量0.50.6621.01.52.03.04.0反散射光子能量0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.240第68頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月③散射角與反沖角存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。散射角θ在0o~180o之間連續(xù)變化；反沖角φ在90o~0o相應(yīng)變化。散射光子和反沖電子發(fā)射方向的矢量圖第69頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）康普頓散射截面康普頓效應(yīng)發(fā)生于光子和“自由電子”之間，因此散射截面是對(duì)電子而言的，記為σc,e。

1、單個(gè)電子的康普頓散射截面：可見：σc,e近似與入射光子能量無關(guān)，為常數(shù)?？梢姡害襝,e近似與入射光子能量成反比。其中，σTh為湯姆遜散射截面，r0為經(jīng)典電子半徑。第70頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月右圖給出了σc,e與入射光子能量的關(guān)系。當(dāng)入射光子能量增加時(shí)，康普頓散射截面下降，但下降速度比光電截面緩慢。電子的康普頓散射截面與入射光子能量的關(guān)系

2、整個(gè)原子的康普頓散射總截面：整個(gè)原子的康普頓散射截面σc，是原子中各個(gè)電子的康普頓截面σc,e的線性相加，即：第71頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z大，康普頓散射截面大；入射光子能量大，康普頓散射截面小?？灯疹D散射截面與入射光子能量的關(guān)系比光電效應(yīng)要緩和。上式表明:3、介質(zhì)的康普頓散射截面及質(zhì)量散射截面：

介質(zhì)的康普頓散射截面：介質(zhì)的康普頓散射截面為電子的康普頓散射截面乘以單位體積中的電子數(shù)。N=ρNA/A為1cm3體積中的原子數(shù)；NA為阿佛加德羅常數(shù)；ρ、A分別為介質(zhì)的密度和原子質(zhì)量數(shù)；第72頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

介質(zhì)的康普頓質(zhì)量散射截面：對(duì)于一般造巖元素，上式中Z/A=1/2，從而有：上式表明，對(duì)于一定能量的γ射線而言，各種巖石的康普頓效應(yīng)的散射截面都近似相等。散射截面正比于介質(zhì)密度介質(zhì)的康普頓散射截面：第73頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）反沖電子的能量分布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，可以得到以下結(jié)論：康普頓邊緣：與入射光子能量h相差~200keV。⑵在反沖電子的最大動(dòng)能處，反沖電子數(shù)目最多，而在較低能量處，電子數(shù)大體相同，存在一個(gè)坪?？灯疹D坪連續(xù)分布。⑴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：[0,Ee,max]。且存在最大反沖電子動(dòng)能。幾種能量的入射光子的康普頓反沖電子能譜（能量分布）第74頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電子對(duì)效應(yīng)(PairProduction)（一）電子對(duì)效應(yīng)的概念當(dāng)能量≥1.02MeV的光子與原子核作用，入射光子轉(zhuǎn)化成一對(duì)正、負(fù)電子的過程，稱為電子對(duì)效應(yīng)。能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M=E/C2第75頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）正電子湮沒

正電子不穩(wěn)定，以電子狀態(tài)存在的時(shí)間很短(10-10~10-7s)，它很快與物質(zhì)中的電子結(jié)合而湮沒。正電子消失時(shí)輻射出兩個(gè)能量為0.511MeV且方向相反的光子。電子對(duì)效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒。原因利用正物質(zhì)與負(fù)物質(zhì)發(fā)生湮滅放出巨大能量的物理原理，人們正在研制反物質(zhì)武器。第76頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化效率(100%）

問題：電子對(duì)效應(yīng)過程中產(chǎn)生的正負(fù)電子來自何方？不是從原子核中釋放的；也不是來自原子中的軌道電子；

是射線轉(zhuǎn)化而來，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。

γ

γ電子對(duì)效應(yīng)之后伴隨正電子的湮沒第77頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的條件1、能量條件：根據(jù)能量守恒定律，產(chǎn)生一對(duì)電子所需的最小能量為：因此只有當(dāng)：(正—負(fù)電子對(duì)的靜止能量，即動(dòng)能為0的電子對(duì))入射光子的能量時(shí)，才能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。當(dāng)時(shí)，電子對(duì)的動(dòng)能為：2、其它條件：

必須在核庫侖場的作用下，即較高能量的入射光子很靠近原子核周圍時(shí)，才有可能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。第78頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）原子的電子對(duì)效應(yīng)截面原子的電子對(duì)效應(yīng)截面σp可由理論計(jì)算得到。它是入射光子能量和吸收物質(zhì)原子序數(shù)的函數(shù)。1、當(dāng)h稍大于2m0c2時(shí)，有：當(dāng)h稍大于2m0c2時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面將迅速增加。2、當(dāng)h>>2m0c2時(shí)，有：當(dāng)h遠(yuǎn)大于2m0c2時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面的增加速度變緩慢。第79頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月不論h為多少（不論入射光子能量位于高能區(qū)還是低能區(qū)），電子對(duì)截面都正比于靶物質(zhì)原子序數(shù)的平方（σp∝Z2

）。電子對(duì)效應(yīng)截面與光子能量的關(guān)系從右圖可見：在能量較低時(shí)，σp隨光子能量線性增加；高能時(shí)，σp與光子能量的變化就緩慢一些。第80頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）討論射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，三種作用效應(yīng)是相互競爭的。Pb：對(duì)3MeV伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的15％；Al：對(duì)3MeV伽瑪射線，電子對(duì)效應(yīng)占總效應(yīng)的～0％；天然伽瑪射線能量范圍：0~3MeV天然巖石有效原子序數(shù)：10~20結(jié)論：當(dāng)天然射線與巖石作用時(shí)，形成電子對(duì)效應(yīng)的幾率很小，可以忽略。第81頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月五、三種相互作用的比較當(dāng)入射光子能量高于1.02MeV時(shí)，這三種效應(yīng)在射線與物質(zhì)相互作用時(shí)都可能發(fā)生。當(dāng)入射光子能量低于1.02MeV時(shí)，只有光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)能發(fā)生。若用σph、σc、σp分別表示入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)的截面，則入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生作用的總截面μ為：當(dāng)時(shí)σp=0。三種效應(yīng)的截面均與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，存在下述關(guān)系：

σph和σc均隨入射光子能量增大而降低，而σp在入射光子能量大于等于1.02MeV以后，隨E的增大而增大。第82頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月三種主要效應(yīng)的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關(guān)系

射線與物質(zhì)的相互作用—三種相互作用方式比較

第83頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月不同介質(zhì)中各種效應(yīng)相對(duì)為主的射線能量范圍元素主要作用區(qū)（MeV）起始作用區(qū)（MeV）光電康普頓電子對(duì)光電康普頓電子對(duì)鋁<0.050.05-15>15<0.150.05-15>3.0銅<0.150.15-10>10<0.400.15-10>2.0鉛<0.500.5-5>5<5.00.5-5>2.0

結(jié)論：對(duì)中等能量的射線，在各種介質(zhì)中（不論靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z大小），以發(fā)生康普頓效應(yīng)為主；（注：表中主要作用區(qū)是指該作用占總效應(yīng)的50%以上；

起始作用區(qū)是指該作用占總效應(yīng)的5%以上。）對(duì)低能射線與重物質(zhì)(Z大)，以發(fā)生光電效應(yīng)為主；對(duì)高能射線與重物質(zhì)(Z大)，以發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)為主。第84頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)γ射線在物質(zhì)中的衰減第85頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、單色窄束射線通過物質(zhì)（一）概述當(dāng)光子穿過物質(zhì)時(shí)，通過與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，射線損失其能量。

射線與吸收物質(zhì)原子一旦發(fā)生這三種相互作用，原來能量為hν的光子就消失，或散射后能量改變，并偏離原來的入射方向?？傊?，光子一旦發(fā)生作用（只要發(fā)生一次碰撞就是一次大的能量轉(zhuǎn)移），就從原來的入射束中移去。

射線的衰減（或吸收）：

射線通過介質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)原子之間的三種相互作用，使光子的數(shù)量不斷的減少，物質(zhì)層越厚，光子數(shù)量減少得越多，這種現(xiàn)象稱做物質(zhì)對(duì)射線的衰減（或吸收）。第86頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月單色窄束射線：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量條件。

準(zhǔn)直裝置的作用：使射線源放出的射線成為一束窄而平行的射線。探測器周圍用屏蔽物質(zhì)遮擋，從而散射光子不會(huì)進(jìn)入探測器而被記錄。厚度X

I0I

I0：入射射線的強(qiáng)度；I：通過厚度為X的吸收屏后，測得的射線強(qiáng)度?！昂脦缀螚l件”實(shí)驗(yàn)裝置：能夠使散射光子不被探測器記錄的實(shí)驗(yàn)裝置。第87頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）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。設(shè)：

設(shè)在x深度處的射線強(qiáng)度為I，則在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)生作用的光子數(shù)）對(duì)上面的方程積分：第88頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月光子束通過物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為：對(duì)于，設(shè)：則窄束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律為：（μ—線性衰減(或吸收)系數(shù)，又稱為宏觀截面）結(jié)論：光子的數(shù)目隨通過介質(zhì)層厚度增加而減小，服從指數(shù)衰減規(guī)律。第89頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）討論

1、線衰減系數(shù)μ是由于伽瑪射線通過物質(zhì)時(shí)，發(fā)生三種衰減效應(yīng)的總效應(yīng)之和：μ指數(shù)衰減因子線性衰減系數(shù)宏觀截面

2、線衰減系數(shù)μ的單位是：cm-13、線衰減系數(shù)μ的物理意義：當(dāng)射線穿過單位距離介質(zhì)時(shí)，單個(gè)光子被損失掉的幾率。第90頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月4、線性衰減系數(shù)μ與入射射線、作用介質(zhì)有關(guān)：①射線能量高μ值小③

吸收介質(zhì)的密度ρ大μ值大5、對(duì)于某一確定射線能量，每一種介質(zhì)有一確定的線性吸收系數(shù)μ值，該值是作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)。能量(MeV)鉛(Pb)cm-1鋁(Al)cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1鉛和鋁的衰減系數(shù)②吸收物質(zhì)原子序數(shù)高μ值大第91頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月μ/ρ質(zhì)量衰減系數(shù)（μm）①射線通過物質(zhì)時(shí)，被吸收的多少，不僅與物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，尚與其密度有關(guān)。為此，引入質(zhì)量衰減系數(shù)。②質(zhì)量吸收系數(shù)μ/ρ的單位是：cm2/g=cm-1/(g/cm3)質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)狀態(tài)無關(guān)。③引入質(zhì)量吸收系數(shù)后，物質(zhì)的厚度一般采用質(zhì)量厚度：xm。單位：第92頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月④射線在化合物或混合物中的質(zhì)量衰減系數(shù)為：式中：ci—第i種組分的重量百分比；μmi—第i種組分的質(zhì)量衰減系數(shù)。半吸收厚度(d1/2)射線強(qiáng)度減弱1/2所通過吸收物質(zhì)層的厚度。可以用半吸收厚度表示指數(shù)衰減規(guī)律：第93頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月半吸收厚度單位：cm物質(zhì)層厚度0I/I

射線的防護(hù)大都選用重金屬鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護(hù)墻。第94頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、寬束射線通過物質(zhì)（一）單色寬射線束在物質(zhì)中的衰減窄束裝置寬束裝置厚度X

I0I

厚度X

I0I

探測器兩者測量條件不同處：寬束條件下，散射射線可以被部分記錄。

平行窄束：準(zhǔn)直后的平行射線束，探測器記錄直射光子。

寬束：直射光子＋散射光子。第95頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月寬束射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律：累積因子B與入射射線能量E和探測器的類型有關(guān)；還與測量時(shí)的幾何條件有關(guān)。累積因子lnI/I0介質(zhì)厚度(cm)窄束寬束在寬束條件下，介質(zhì)的衰減系數(shù)小于窄束條件()：第96頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月在窄束條件：

可見，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，窄束衰減曲線的斜率為衰減系數(shù)μ。且μ與入射光子能量及介質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)，不隨介質(zhì)厚度增加而變化。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，衰減曲線呈一條直線，其斜率是多少？lnI/I0介質(zhì)厚度(cm)窄束寬束第97頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月在寬束條件：在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，衰減曲線是一條斜率不斷改變的曲線：lnI/I0介質(zhì)厚度(cm)窄束寬束衰減曲線開始斜率小，表示衰減系數(shù)??；隨著吸收介質(zhì)厚度增加，斜率增大，表示衰減系數(shù)增大；當(dāng)介質(zhì)厚度達(dá)到一定厚度后，斜率幾乎不變，這時(shí)，衰減系數(shù)也不變，而數(shù)值上比相應(yīng)窄射線束明顯要小。第98頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）點(diǎn)源在無限均勻介質(zhì)中的衰減

點(diǎn)狀放射源產(chǎn)生的射線，在無限均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其衰減規(guī)律和寬束射線通過介質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律相似。當(dāng)探測器放在介質(zhì)中測量時(shí)，還可以測量(記錄)到從探測器后方的介質(zhì)散射回來的反散射射線，射線強(qiáng)度(計(jì)數(shù)率)衰減緩慢。隨著測量條件的不同，射線的衰減情況也會(huì)發(fā)生變化。而理論計(jì)算則很難考慮各種具體測量條件，所以在放射性方法勘查工作中，有時(shí)采用有效衰減系數(shù)來作簡單計(jì)算。用實(shí)測射線強(qiáng)度按以下公式求出的衰減系數(shù)：或有效衰減系數(shù)(或)：第99頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)射線進(jìn)入介質(zhì)一定深度后，衰減服從指數(shù)衰減規(guī)律。如圖中紅色虛線所示。此時(shí)，可以用實(shí)際觀測的質(zhì)量衰減系數(shù)來計(jì)算伽瑪射線的衰減。ln(I/I0)ρx(g/cm2)1Q步驟：對(duì)實(shí)測曲線中需要求解的某點(diǎn)，用其對(duì)應(yīng)的“縱坐標(biāo)值/橫坐標(biāo)值”—該比值即為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)值。第100頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

小結(jié)1、核輻射同物質(zhì)作用，僅當(dāng)把能量和動(dòng)量傳遞給物質(zhì)才發(fā)生；沒有能量和動(dòng)量傳遞就沒有作用。2、伽瑪射線與物質(zhì)的主要相互作用有三種：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)。3、σph∝Z5/(h)3.5σc∝Zσp

∝Z2(h)h稍大于2m0c2

σp∝Z2ln(h)h>>2m0c24、窄束伽瑪射線通過物質(zhì)時(shí)按指數(shù)規(guī)律衰減：－－低能、重物質(zhì)間的主要作用－－中等能量，各種介質(zhì)的主要作用高能、重物質(zhì)間的主要作用寬束伽瑪射線：引入有效衰減系數(shù)。第101頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用第102頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。中子因不帶電，能進(jìn)入核內(nèi)組成復(fù)合核。復(fù)合核的壽命很短，它很快放出中子，γ光子或其他帶電粒子，甚至核裂變。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,γ)核裂變反應(yīng)(n,f)帶電粒子發(fā)射(n,α),(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103頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）彈性散射(n,n)中子與靶核碰撞過程中，動(dòng)能、動(dòng)量守恒，靶核的能級(jí)狀態(tài)沒有改變。相當(dāng)于兩個(gè)彈性球的碰撞過程。碰撞后，中子的能量和運(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過程中。（二）非彈性散射(n,n’)

中子與靶核的碰撞過程，類似于彈性散射，但是靶核的能級(jí)狀態(tài)有所升高。碰撞后，中子的能量和運(yùn)動(dòng)方向均有所改變，伴隨著靶核的γ衰變。高能中子與重核的散射反應(yīng)主要是非彈性散射。非彈性散射的反應(yīng)式可以表示如下：第104頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）輻射俘獲(n,γ)

中子進(jìn)入原子核，被吸收后形成復(fù)合核。復(fù)合核比原來的核多了一個(gè)中子，往往處于激發(fā)態(tài)，在回到基態(tài)時(shí)放出γ光子。

作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一種同位素。

輻射俘獲是最常見的核反應(yīng)。結(jié)果是生成核比原來原子核大一個(gè)質(zhì)量數(shù)的同位素，即。生成核往往具有放射性。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。（n,γ）是制備放射性同位素的重要途徑：

例如：放射性同位素60Co就是利用（n,γ）反應(yīng)得到的?；?0Co是一種常用的放射性γ源。半衰期為5.25a，衰變時(shí)放出1.17MeV和1.33MeV兩種能量的γ射線。第105頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）核裂變反應(yīng)(n,f)含義：

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，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2~3個(gè)中子和大量的能量（結(jié)合能）。第106頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng)中子與某些輕核發(fā)生作用時(shí)，形成復(fù)合核并發(fā)出帶電粒子（質(zhì)子或α粒子）。帶電粒子發(fā)射：和

(n,α)反應(yīng)：探測中子的重要途徑：通過測量與中子反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子獲得中子的信息例：n+14N→14C+p

第一步：核反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子第二步：質(zhì)子對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生電離作用

(n,p)反應(yīng)：人體有大量H和N原子，中子對(duì)人體電離效應(yīng)嚴(yán)重、傷害也嚴(yán)重。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107頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月本章結(jié)束

謝謝！第108頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：

1、請(qǐng)說明載能入射帶電粒子在靶物質(zhì)中的吸收過程，在其慢化過程中有哪些相互作用方式，其中哪兩種是主要的作用方式。

3、212Po，放射源，E=8.785MeV，計(jì)算其在空氣中和鋁（A=27，=2.7g/cm3

）中的射程。

4、請(qǐng)說明入射帶電粒子(如α粒子)的平均電離能、比電離的含義、以及電離能量損失率與比電離、平均電離能之間的關(guān)系。并說明α粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系及其原因。

2、請(qǐng)說明α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式、α粒子的射程特點(diǎn)以及天然α粒子在物質(zhì)中的穿透能力。第109頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

8、β粒子的射程定義及其表達(dá)式。隨著β輻射層厚度的增大，β射線強(qiáng)度將如何變化？6、請(qǐng)說明正電子(β+粒子)發(fā)生湮沒輻射的過程及特點(diǎn)。7、請(qǐng)寫出β射線在介質(zhì)中的衰減規(guī)律的兩種表達(dá)形式。其中，線衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)、吸收體的厚度及其質(zhì)量厚度之間滿足什么關(guān)系，單位各是什么？5、請(qǐng)說明β粒子(電子)與物質(zhì)相互作用的主要形式。β粒子(電子)的輻射能量損失率與電離能量損失率之間滿足什么關(guān)系，對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)意義是什么。散射作用對(duì)β粒子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響是什么。第110頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

9、伽瑪射線與物質(zhì)的主要相互作用有哪些？總結(jié)每種相互作用過程。

10、為什么光電效應(yīng)一般發(fā)生在原子的內(nèi)層電子？伴隨光電效應(yīng)有哪兩種后續(xù)過程？11、康普頓效應(yīng)有什么特點(diǎn)？12、電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的條件。13、單色窄束伽瑪射線通過物質(zhì)時(shí)遵循什么衰減規(guī)律？

14、中子和物質(zhì)的相互作用方式有哪些？對(duì)輻射俘獲方式進(jìn)行具體說