射线与物质的相互作用201104COPY.ppt
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第二章第二章射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用为何要研究射线与物质的相互为何要研究射线与物质的相互作用作用n射线如何对机体造成危害射线如何对机体造成危害?
n如何探测粒子或射线如何探测粒子或射线?
n射线经过介质的行为射线经过介质的行为?
n射线与物质的相互作用是辐射射线与物质的相互作用是辐射探测的基础,也是射线危害和探测的基础,也是射线危害和认识微观世界的基础理论。
认识微观世界的基础理论。
n带电粒子与物质的相互作用n伽马射线与物质的相互作用n带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用n电离(电离(ionization)n激发(激发(excitation)n散射(散射(scattering)n轫致辐射轫致辐射(bremsstrahlung)n吸收(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-Alphan电离和激发电离和激发n运动轨迹为直线运动轨迹为直线n穿透能力很弱,空气中的射程穿透能力很弱,空气中的射程为几厘米为几厘米带电粒子与物质的相互作用n
(1)带电粒子能量损失方式一)带电粒子能量损失方式一电离损失电离损失n
(2)带电粒子能量损失方式二)带电粒子能量损失方式二辐射损失辐射损失n电离电离n入射带电粒子在从吸收物质原入射带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时,子旁掠过时,由于它们与壳层由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用电子之间发生静电库仑作用,壳层电子便获得能量。
如果壳壳层电子便获得能量。
如果壳层电子获得的能量足够大,它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。
产生了离出来成为自由电子。
产生了电子和正离子。
电子和正离子。
n激发激发n带电粒子给予壳层电子的能量较小,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为自由电子,但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去,这个轨道跃迁到较高的轨道上去,这个现象称为原子的激发。
现象称为原子的激发。
n处于激发态的原子是不稳定的,它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。
要自发地跳回到原来的基态。
能量损失率能量损失率比电离比电离n单位路程上产生的离子对总数单位路程上产生的离子对总数称为比电离。
称为比电离。
nP.23图图2-1-1Alpha衰变(射程)衰变(射程)nn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nnR(厘米)0.56E(当E小于4MeV)0.318E3/2(当E大于4MeV且小于7MeV)Beta衰变衰变n性质性质n比电离比电离n阻止本领阻止本领n韧致辐射韧致辐射n射程射程n指数式的指数式的粒子吸收粒子吸收Beta衰变(性质)衰变(性质)nn放射性核素的核里有一个中子转变为一个放射性核素的核里有一个中子转变为一个质子,并放出质子,并放出粒子。
粒子。
nn粒粒子子是是高高速速运运动动的的电电子子流流(正正电电子子和和电电子)。
子)。
nn平均能量平均能量能量是不连续的,平均能量大能量是不连续的,平均能量大约是约是1/3E最大最大,正电子大约是,正电子大约是0.43E最大最大nn沿折线径迹运动沿折线径迹运动(散射很大散射很大)56Ba-137(5%)E=1.18MeVE=0.661MeV(95%)E=0.514MeV137Cs55E最大能量(MeV)粒子数典型的能谱Beta衰变(性质)衰变(性质)Beta衰变(比电离)衰变(比电离)n比电离比电离在空气中的在空气中的W34eV/离子对离子对比电离能量粒子的比电离对能量关系曲线的一般形状比电离比电离比电离值随粒子损失比电离值随粒子损失能量而逐渐增加,最后比能量而逐渐增加,最后比电离达到一个峰值,当粒电离达到一个峰值,当粒子能量全部损失时下降为子能量全部损失时下降为零。
零。
Beta衰变(比电离)衰变(比电离)n电子的平均比电离为:
电子的平均比电离为:
nn比电离比电离=形成的离子对数目射程长度形成的离子对数目射程长度nnEeWR离子对厘米离子对厘米n近似关系式:
近似关系式:
n比电离比电离33+63E最大0.9Beta衰变衰变nn阻止本领阻止本领nnNN介质中的原子数目厘米介质中的原子数目厘米33,nnBB原子阻止数。
原子阻止数。
n电子与吸收物质的原子核之间电子与吸收物质的原子核之间相互作用。
电子的某些能量也相互作用。
电子的某些能量也可以在物质中产生可以在物质中产生X射线的形式射线的形式释放。
这种释放。
这种X射线称为韧致辐射。
射线称为韧致辐射。
n电子能量低于电子能量低于1MeV时,不足时,不足以发生韧致辐射作用。
以发生韧致辐射作用。
n每个原子的总韧致辐射大致正每个原子的总韧致辐射大致正比于(比于(Zm)2Beta衰变衰变(韧致辐射韧致辐射)带电粒子能量损失方式之二带电粒子能量损失方式之二辐射损失辐射损失n入射带电粒子与原子核之间的入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用,库仑力作用,使入射带电粒使入射带电粒子的速度和方向发生变化,子的速度和方向发生变化,伴随发射电磁辐射伴随发射电磁辐射-轫致辐射轫致辐射(bremsstrahlung).它是它是X射射线的一种,具有连续的能量分线的一种,具有连续的能量分布。
布。
轫致辐射轫致辐射(bremsstrahlung)nn带电粒子与被通过的介质原子核相互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。
能转变为电磁辐射释放出来。
nn这种作用随粒子的能量增加而增大。
这种作用随粒子的能量增加而增大。
nn与粒子的质量平方成反比。
与粒子的质量平方成反比。
nn与介质的原子序数与介质的原子序数Z的平方成正比。
的平方成正比。
Beta衰变衰变(韧致辐射韧致辐射)1.对于电子束入射到厚靶上,电子初始能量转化对于电子束入射到厚靶上,电子初始能量转化为为X射线的部分近似为:
射线的部分近似为:
F710-4ZKk2.2.对于对于BetaBeta射线源,射线源,BetaBeta粒子转化为粒子转化为XX射线部分近射线部分近似为:
似为:
F3.333.331010-4-4ZKZK最大最大Beta衰变衰变(射程射程)n对电子的阻止本领随吸收体原子序数对电子的阻止本领随吸收体原子序数Z的增加而减少。
的增加而减少。
n因散射而使真实路程增加(大约为因散射而使真实路程增加(大约为1.2-1.4倍直线路程)倍直线路程)n电子的射程通常用质量厚度表示:
电子的射程通常用质量厚度表示:
nd(厘米)厘米)p(毫克厘米(毫克厘米3)R射程射程(毫克厘米(毫克厘米2)Katz和和Penfold公式:
公式:
R412E1.265-0.09541lnE(E大于大于0.01且小于且小于2.5MeV)R530E106(E大于大于2.5MeV)指数式的指数式的Beta粒子吸收粒子吸收nnBeta吸收服从指数规律,公式如吸收服从指数规律,公式如下:
下:
nn吸收系数吸收系数nndd吸收物质的厚度吸收物质的厚度指数式的指数式的Beta粒子吸收粒子吸收用质量吸收系数表示(重点)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:
绝大部分物质的质量吸收系数可表示为:
nBetan电离,激发,韧致辐射,散射电离,激发,韧致辐射,散射n运动轨迹为折线运动轨迹为折线n穿透能力较大穿透能力较大n散射散射n散射是带电粒子与被通过的介质的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。
原子核发生相互作用的结果。
n弹性散射作用下,带电粒子只改变弹性散射作用下,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。
的大小与带电粒子的质量有关。
n非弹性散射非弹性散射放射性物质层的自吸收放射性物质层的自吸收n饱和强度饱和强度n饱和层厚度饱和层厚度Gamma与物质的相互作用与物质的相互作用nn性质性质nn与物质的相互作用与物质的相互作用nn光电效应光电效应nn康普顿效应康普顿效应nn电子对效应电子对效应nnXX和和射线的吸收射线的吸收nn质量能量吸收系数质量能量吸收系数伽马射线与物质的相互作用伽马射线与物质的相互作用n三种作用形式三种作用形式n光电,康普顿,电子对光电,康普顿,电子对n衰减规律衰减规律n线衰减系数,质量衰减系数线衰减系数,质量衰减系数射线对物质的电离射线对物质的电离作用作用两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应电子对效应电子对效应产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第11步步初级作用初级作用第第22步步次级作用次级作用nn光电效应作用机制作用机制光子同光子同(整个整个)原子作用原子作用把自己的全部能量传递给原子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壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为成为自由电子,光子本身消失了。
自由电子,光子本身消失了。
+AA*+e-(光电子)(光电子)原子原子A+X射线射线截面截面nn伽马射线与物质发生上术三种相互作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,用物理量来表用都具有一定的概率,用物理量来表示作用概率的大小。
示作用概率的大小。
nn截面截面rr的定义:
一个入射光子与单位的定义:
一个入射光子与单位面积一个原子发生作用的概率,其量面积一个原子发生作用的概率,其量纲为面积,常用单位为纲为面积,常用单位为“巴巴b”nn1b=110-24cm2=110-28m2光电吸收截面光电吸收截面康普顿效应康普顿效应n伽玛射线能量大于伽玛射线能量大于100keV产产生康普顿效应,对于中能的生康普顿效应,对于中能的光光子和低原子序数的吸收物质,子和低原子序数的吸收物质,康普顿效应占优势。
康普顿效应占优势。
康普顿效应康普顿效应n入射光子与核外电子的非弹性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碰撞。
光子的部分能量交给电子,使电子从原子中发射出来,子,使电子从原子中发射出来,光子的能量和方向发生变化。
光子的能量和方向发生变化。
康普顿效应康普顿效应-注意的问题注意的问题nn散射光子和康普顿电子的能量散射光子和康普顿电子的能量公式公式2-2-6,2-2-7,2-2-8nn作用截面和康普顿电子的角分布作用截面和康普顿电子的角分布(图(图2-2-5)nn康普顿电子的能量分布康普顿电子的能量分布(能量连续分布)(能量连续分布)散射光子波长的变化:
散射光子波长的变化:
11000.02120.0212(11coscos)注意:
散射光子波长的变化并不依注意:
散射光子波长的变化并不依赖于入射光子的能量。
赖于入射光子的能量。
在在200keV3.0MeV范围,范围,康普顿康普顿效应是重要的。
效应是重要的。
康普顿效应康普顿效应n入射光子、散射光子和反冲电入射光子、散射光子和反冲电子的能量、动量守恒子的能量、动量守恒n散射光子波长的变化并不依赖散射光子波长的变化并不依赖于入射光子的能量,散射截面于入射光子的能量,散射截面与原子序数与原子序数Z成正比成正比电子对效应电子对效应能量能量1.02MeV1.02MeV的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正-负电子。
负电子。
MMM+eM+e+e+e-11+221.02MeVm1.02MeVmeemmee0.511MeV0.511MeV0.511MeV0.511MeV基本条件:
基本条件:
射线能量射线能量EE1.02MeV1.02MeV为什麽?
为什麽?
能量转化成能量转化成质量质量M=E/C2电子对效应截面电子对效应截面nK=c1Z2(Er-1.022)总截面总截面nP.31
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- 射线 物质 相互作用 201104 COPY
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