核物理基础知识ppt课件.ppt

1TEL:0734-8160771,15096001925E-mail:2011.03南华大学核科学技术学院教授2原子核与放射性的物理基础 1.原子与原子核的组成2.放射性粒子产生的原因3.质量亏损4.衰变规律5.射线与物质作用的机制6.射线减弱规律3 自然界存在的一切物质，都是由不同的元素组成。元自然界存在的一切物质，都是由不同的元素组成。元素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性素的基本单位是原子。原子表征量为物质的物理、化学性质和光谱特性。质和光谱特性。 原子核由质子和中子组成，质子和中子通称为原子核由质子和中子组成，质子和中子通称为核子核子。 其表征为原子核的放射性。其表征为原子核的放射性。 2.1 2.1 原子与原子核原子与原子核 4原子核中子质子电子(电子云)+ +原子的直径约为原子的直径约为1010-10-10米。米。原子核在中心约原原子核在中心约原子直径的子直径的1/100001/10000。原子的质量几乎全原子的质量几乎全集中在原子核上集中在原子核上电子的质量仅为质电子的质量仅为质子质量的子质量的1/18401/1840。一个电子所带的电一个电子所带的电荷为荷为1.61.61010-19-19库库仑（仑（C C），），定义为定义为单位电荷。单位电荷。 5ZANX 原子核的表示原子核的表示ZANX核子数核子数质子数质子数中子数中子数元素符号元素符号原子质量单位等于一原子质量单位等于一个碳个碳12核素原子质核素原子质量的量的1/12，记为，记为u。1u=1.660565510-27 kg。质子和中子质量几乎质子和中子质量几乎一样，分别为：一样，分别为：mp = 1.00727644umn = 1.00866522uHH,H,3121116原子核的大小原子核的大小 原子核的半径310ArR AArRV3033434原子核原子核半径半径近似正比于近似正比于A A1/31/3，原子核原子核体积体积近似正比于近似正比于A A。ro为原子核半径常数（为原子核半径常数（1.210-13 cm），），A为原子核的质量数为原子核的质量数 原子核的体积7原子核的密度（单位体积的核子数）：338303/10433/4cmrRAVAngmN241066.1 314/1066. 1cmgnmNN可见，原子核密度为常数，且非常大。一个核子的质量则核物质的密度：8原子核物理常用术语及意义原子核物理常用术语及意义1).1).核素（核素（nuclidenuclide）具有一定数目的具有一定数目的中子中子和和质子质子以及以及特定能态特定能态的一种原子核的一种原子核或原子称为核素。或原子称为核素。 核子数、中子数核子数、中子数、质子数和能态质子数和能态只要有一个不同，就是不只要有一个不同，就是不同的核素。同的核素。Tl20886Pb20882 两种核素，两种核素，A A同，同，Z Z、N N 不同。不同。Sr9038Y9139两种核素，两种核素，N N 同，同，A A、Z Z 不同。不同。60Co58Co两种核素，两种核素，Z Z 同，同，A A、N N 不同。不同。6060Co Co 60m60mCo Co 两种核素，两种核素，A A、Z Z、N N 同，能态不同。同，能态不同。9 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度。 具有具有相同原子序数相同原子序数但但质量数不同质量数不同的核素称为某元素的的核素称为某元素的同位素同位素。( (即即Z Z相同，相同，N N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质。本相同化学性质。) )2).2).同位素（同位素（IsotopeIsotope）和同位素丰度和同位素丰度23592U23892U铀的二种同位素。11H21H31H氢的三种同位素；16O17O18O99.756%、0.039%、0.205%11H21H99.985%、0.015%23592U23892U0.724%、99.276%1011H21H99.985%99.985%、0.015%0.015%3).稳定核素和放射性同位素 其中，稳定同位素为：其中，稳定同位素为：而而3 3H H 为为放射性同位素放射性同位素，具有，具有放射性，放出最大能量约放射性，放出最大能量约为为18KeV18KeV的的射线，其半衰期射线，其半衰期12.312.3年年 。 氢氢的的三种同位素具有相同的化学性质，三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。但其放射性却不同。11H21H31H11 人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射人工放射性核素是指非天然和自然界的因素生成的放射性核素，而是在反应堆或加速器所生成。性核素，而是在反应堆或加速器所生成。广泛的放射源广泛的放射源-钴源（钴源（6060CoCo）就是在反应堆中生成。将金属就是在反应堆中生成。将金属钴，即钴，即5959Co Co ，其丰度，其丰度100%100%，放在反应堆孔道内，利用中子照，放在反应堆孔道内，利用中子照射射5959Co Co ，发生如下核反应：，发生如下核反应： 工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源（ 6060Co Co ），其活度达几十万至百万居里（），其活度达几十万至百万居里（CiCi）。）。ConCo6059,4). 4). 人工放射性核素人工放射性核素12根据原子核的稳定性根据原子核的稳定性, , 可以把核素分为稳定的核素和不稳定的可以把核素分为稳定的核素和不稳定的放射性核素放射性核素。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之间的比例存在着密切的关系。例存在着密切的关系。 我们可以把核素排我们可以把核素排在一张所谓核素图上。在一张所谓核素图上。 核素图共包含核素图共包含20002000个核素个核素, ,其中天然存在其中天然存在332332个核素个核素( (280280为稳定为稳定核素核素),),人工放射性人工放射性核素核素16001600多个。多个。 5).5).核素和核素图核素和核素图13质量亏损质量亏损所有的核都存在质量亏损，即所有的核都存在质量亏损，即 原子核的质量总是原子核的质量总是小于小于组成它的所有核子的质量之和的，少组成它的所有核子的质量之和的，少的那部分质量称为的那部分质量称为质量亏损质量亏损(Mass Defect)(Mass Defect)。表示为表示为 AZm, AZmmZAZmAZmnp, 0, AZm原子核结合能的概念原子核结合能的概念14 氘是氢的同位素，氘氘是氢的同位素，氘( )( )由一个中子和一个质子所组由一个中子和一个质子所组成。成。中子的质量：中子的质量：质子的质量：质子的质量： 而氘核的质量：而氘核的质量： 可见，氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两可见，氘核的质量小于组成它的质子和中子质量之和，两者之差为者之差为umn0086651.ump0072761.ummpn0159412.um014102221.,ummmmpn001839. 02 , 12 , 1原子核结合能的概念原子核结合能的概念21H15 既然既然 m0m0，则相应的能量就减少，表明当若干质子和，则相应的能量就减少，表明当若干质子和中子结合成一个核时，将中子结合成一个核时，将释放释放一部分能量，这个能量称为一部分能量，这个能量称为叫叫结合能结合能。 222,cAZmcmZAcZmAZBnp 222,1 , 1,cAZMcmZAcZMAZBn 以原子质量以原子质量M M 表示，一般手册都为给出原子质量，表示，一般手册都为给出原子质量， 得到：得到：2,cAZmAZBeZmAZmAZM,原子核结合能的概念原子核结合能的概念16比结合能及比结合能曲线比结合能及比结合能曲线比结合能比结合能（平均结合能）（平均结合能） ： AAZBAZ, 单位是单位是 MeV/NuMeV/Nu，NuNu代表核子。代表核子。 比结合能的物理意义比结合能的物理意义：原子核拆散成自由核子时，外界对：原子核拆散成自由核子时，外界对每个核子所做的最小的平均功。每个核子所做的最小的平均功。 或者说，它表示核子结合成或者说，它表示核子结合成原子核时，平均一个核子所释放的能量。原子核时，平均一个核子所释放的能量。 比结合能表征了原子核结合的松紧程度：比结合能表征了原子核结合的松紧程度：比结合能大，核结合紧，稳定性高；比结合能大，核结合紧，稳定性高；比结合能小，核结合松，稳定性差。比结合能小，核结合松，稳定性差。 17比结合能曲线：比结合能曲线：裂变裂变聚变聚变8.797.071.11218原子核的放射性19 18961896年，年，BecquerelBecquerel（获获19031903年诺贝尔物年诺贝尔物理奖）在铀盐中发现放射性理奖）在铀盐中发现放射性。 原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应原子核的蜕变包括原子核的衰变、核反应和核裂变等过程，在这些过程中均会产生放和核裂变等过程，在这些过程中均会产生放射性。射性。 放射性放射性-原子核的蜕变原子核的蜕变20核衰变主要的类型核衰变主要的类型: : a a, b b, 衰变衰变Type of Radiation Charge/MassPenetration a a 粒子（氦核）粒子（氦核） +2q/4mp 空气（空气（几几cm） b b 电子或正电子电子或正电子 q/me or +q/me 几几 mm铝片铝片 光子光子 no charge 几几mmcm铅铅 21 衰变（丰中子核发生）衰变（丰中子核发生） 衰变衰变a 衰变衰变bb 衰变（欠中子核）衰变（欠中子核）b轨道电子俘获（欠中子轨道电子俘获（欠中子核）核）跃迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。跃迁：高激发态到低激发态或基态的跃迁。 a a, b b, 衰变的过程：衰变的过程：QHeYXAZAZ4242QveYXAZAZ1QveYXAZAZ1QYeXAZAZ122+从母核中射出的4He原子核 a粒子得到大部分衰变能238U4He + 234Th放射性母核!23+发生原因：母核中子或质子过多发生原因：母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+反中微子中微子三种子体分享裂变能因此电子具有连续能量24中微子+ 光子25a a, b b, 衰变的衰变的实例实例)785. 4(422228622688MeVEHeRnRaaQeSP32163215QeCN136137QMneFe55255526)140. 0(996992/ 1MeVETcTchTm26 核素的衰变纲图核素的衰变纲图( (常用放射性核素衰变数据和纲图常用放射性核素衰变数据和纲图) )27 核素的衰变纲图核素的衰变纲图28 核素的衰变纲图核素的衰变纲图293031222Rn的衰变曲线实验发现，放射性核素实验发现，放射性核素 放出一个放出一个a a粒子，变成粒子，变成 ，而而 的数目大约每的数目大约每4 4天减少一半。天减少一半。Rn22286Po21884Rn2228632它应该正比于N(t) 和时间间隔dt ，由统计性，以放射源总体考虑衰减规律：设：t 时刻放射性原子核的数目为N(t)， teNtN0求解t t+dt 内发生的核衰变数目-dN(t)， dttNtdN于是有：33 tNdttdN/ )( 1. 衰变常数分子表示：t 时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为 tJt 时刻放射性原子核衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。放射性核素的特征量放射性核素的特征量量纲为：量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a34b. b. 当一个原子核有几种衰变方式时：当一个原子核有几种衰变方式时： ii a. a. 衰变率：衰变率： )()0()(tNdteNddttdNtJt 定义分支比：定义分支比：/iiR 35 2. 2. 半衰期半衰期 半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为 。即： )0(2102121NeNTNT2121 Te693. 02ln21T量纲为：t,如s，h，d，a21T363. 3. 平均寿命平均寿命 平均寿命平均寿命 总寿命总寿命 / / 总核数总核数1212144. 12lnTT平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命是指某种放射性核素其平均生存的时间平均寿命用平均寿命用表示，表示，与与、T1/2的关系的关系 ： 1)()0(10tdttNN371. 放射性活度 (Activity)即：)()()(00tNeNdteNddttdNAtt定义：00NA则：teAA0 活度定义：一个放射源在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。放射性活度及其单位放射性活度及其单位382. 2. 活度单位活度单位 常用单位常用单位( (CiCi) )：法定计量单位为法定计量单位为( (BqBq) )：秒秒次核衰变次核衰变/1Bq1 Bq107.3Ci110 39)(稳稳定定衰衰变变方方式式，半半衰衰期期衰衰变变方方式式，半半衰衰期期NBA)(206824 .138,2108401. 5,2108321,210821064. 1 ,214844稳定稳定PbPoBiPbPoddas a ab bb ba a例如：递次衰变规律递次衰变规律401 1）两次连续衰变规律）两次连续衰变规律 初始条件：t = 0时，A 的数目为N10，B的数目为0A 和 B 的衰变常数分别为 1 和 2C 的数目为0。 是单一放射性衰变，服从简单的指数规律。dttNtdN)()(111 teNtN1101)( 即：对于A：这样t时刻，A的数目的变化为：稳定CBA2141对于B：不断衰变为C (减少)：dttN)(22 不断从A获得 (增加)：dttN)(11 这样B的数目的变化为：dttNdttNtdN)()()(22112 B代入N1(t)等条件，解此微分方程，)()(21121102tteeNtN 可见，子体 B 的变化规律不仅与它本身的衰变常数 2 有关，而且还与母体 A 的衰变常数 1 有关，它的衰变规律不再是简单的指数规律。42 已经假设已经假设 C C 是稳定的，那么它的变化仅由是稳定的，那么它的变化仅由 B B 的衰变决定，的衰变决定，即：即：dttNtdN)()(223 解此方程，得： )1(1)1(1)(21211221103tteeNtN 对于对于C C： 当t ，N3(t) N10，母体A全部衰变成子体C。子体C是稳定的，不再发生衰变。43两次连续衰变规律总结如下：两次连续衰变规律总结如下：teNtN1101)( )()(21121102tteeNtN )1(1)1(1)(21211221103tteeNtN 稳定CBA2144 对于n代连续放射性衰变过程，其中第1到第n代核素具有放射性，而第n+1代核素为稳定核素。设初始条件为：101)0(NN 0)0( mN1n, n, 3 , 2m各衰变常数为：n ,21 用同样的方法可以求出第 n 个核素随时间的变化规律：)(121稳定nnAAAA)()(212110tnttnnecececNtN 2 2）多次连续衰变规律45)()(113121211 nnc)()(223211212 nnc)()(121121nnnnnnc nccc,21，其中，系数 为 ： 在连续放射性衰变中， 母体衰变是单一放射性衰变，服从指数衰减规律； 其余各代子体的衰变规律不再是简单指数规律，而与前 面各代衰变常数都有关。463）放射性平衡对于两代连续 A B C（稳定）teNtN1101)( )()(21121102tteeNtN 我们来看子体 B 的变化情况，子体 B 的变化只取决于 1 和2。我们分三种情况讨论：47（1 1）暂时平衡）暂时平衡 母体母体A A的半衰期不是很长，但比子体的半衰期不是很长，但比子体B B的半衰期长，的半衰期长，即即)2(2/1)1(2/1TT 或或21 时，时， 则在观察时间内可看出母体则在观察时间内可看出母体 A A 放射性的变化，放射性的变化，以及子体以及子体 B B 的核数目在时间足够长之后，将和母体的核数目在时间足够长之后，将和母体的核数目建立一固定的比例，此时子体的核数目建立一固定的比例，此时子体 B B 的变化将的变化将按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂按母体的半衰期衰减。这时建立的平衡叫暂。4812121 021( )()ttNtNee 由：由：)1)()(112112tetN 由于：由于：21 ，当，当 t t 足够大时，足够大时，1)(12 te 关系：关系：11)(12te 子母体的放射性活度的关系为：子母体的放射性活度的关系为：22221211112121( )( )( )( )A tNtA tN t 即：当即：当 t t 足够大时，有：足够大时，有：12112)()( tNtN1 有：有：49暂时平衡暂时平衡( 1 T1/2(99mTc) ，体系可建立体系可建立。max9999AMoATcAm 当当 t=tm 时，子核放射性活度最大，时，子核放射性活度最大，hTcTMoTTcTtm21)()(ln2ln)(ln1ln1212121122121253（2 2） 长期平衡长期平衡 当母体当母体A A的半衰期较长，且比子体的半衰期较长，且比子体B B的半衰期长得多时，即的半衰期长得多时，即)2(2/1)1(2/1TT 或或21 则在观察时间内，看不出母体则在观察时间内，看不出母体A A放射性的变化；在相当长放射性的变化；在相当长时间以后，子体时间以后，子体 B B 的核数目和放射性活度达到饱和，并且的核数目和放射性活度达到饱和，并且子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫子母体的放射性活度相等。这时建立的平衡叫。) 1 (2/ 1Tt 观察时间5412121 021( )()ttNtNee 由：)1)()(112112tetN 由于：21 ，当 t 足够大时，有：1)(12 te 长期平衡关系：所以：21()(1) 1te 212 子母体的放射性活度的关系为：1)()()()(2112112212 tNtNtAtA2112)()( tNtN即：当 t 足够大时，有：55a子体活度曲线子体活度曲线d子体单独存在时活度曲线子体单独存在时活度曲线b母体活度曲线母体活度曲线c母子共同活度曲线母子共同活度曲线20056对于多代连续放射性衰变：对于多代连续放射性衰变： 只要母体只要母体 A A1 1 的衰变常数的衰变常数 1 1 足够小，就会建立起按足够小，就会建立起按A A1 1的的半衰期进行衰变的长期平衡体系。半衰期进行衰变的长期平衡体系。)(1321321稳定稳定 nAAAAn i i =2, 3, =2, 3, 4, 4, 11( )( )iiN tN t 1iAA 总核数为总核数为N N10 10 ，平衡后总活度为平衡后总活度为 n nA A1 1。各代放射体的数量之比不随时间变化；各代子体的放射性活度各代放射体的数量之比不随时间变化；各代子体的放射性活度都等于母体的放射性活度，且均按都等于母体的放射性活度，且均按 1 1 进行衰变。进行衰变。5758（3 3）不平衡）不平衡逐代衰变逐代衰变 当母体当母体A A的半衰期比子体的半衰期比子体B B的半衰期短时，即的半衰期短时，即)2(2/1)1(2/1TT 或或21 这时建立不起平衡，母体这时建立不起平衡，母体A A按指数规律较快衰减；而子按指数规律较快衰减；而子体体B B的数目从零逐步增加过极大值后较慢衰减，当时间足够的数目从零逐步增加过极大值后较慢衰减，当时间足够长时，子体长时，子体B B则按自己的衰变常数则按自己的衰变常数 2 2衰变。这种情况也称为衰变。这种情况也称为。59)()(21121102tteeNtN 由：由：由于：由于：21 ，当，当 t t 足够大时，有：足够大时，有：不平衡情况：不平衡情况：ttee21 ttteee221 teNtN2211102)( 子体的放射性活度为：子体的放射性活度为：teNtNtA2212110222)()( 母体的放射性活度为：母体的放射性活度为：0)()(1101111 teNtNtA 即：当即：当 t t 足够大时，有：足够大时，有：60a 子体活度曲线子体活度曲线d 子体单独存在时活度曲线子体单独存在时活度曲线b 母体活度曲线母体活度曲线c 母子共同活度曲线母子共同活度曲线tm61对于多代连续放射性衰变：对于多代连续放射性衰变：)(1321321稳定稳定 nAAAAn 那么，随着时间的流逝，将会形成逐代衰变现象。那么，随着时间的流逝，将会形成逐代衰变现象。首先是第一代衰变完，接着第二代，第三代，首先是第一代衰变完，接着第二代，第三代，逐代，逐代衰变完。而且各自按自己的衰变常数衰变。衰变完。而且各自按自己的衰变常数衰变。 如果上代的核素都比下代的核素衰变的快，即有如果上代的核素都比下代的核素衰变的快，即有: :n 3216263射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用64 射线与物质的相互作用过程，射线与物质的相互作用过程，本质上是能量的转移本质上是能量的转移和吸收的过程。一方面射线能量不断损耗，另一方面，和吸收的过程。一方面射线能量不断损耗，另一方面，物质吸收射线的能量，产生电离或激发物质吸收射线的能量，产生电离或激发。这种过程对于。这种过程对于射线探测、射线应用以及辐射防护都有十分重要的意义，射线探测、射线应用以及辐射防护都有十分重要的意义，亦是辐射剂量学、辐射屏蔽以及辐射生物效应等学科的亦是辐射剂量学、辐射屏蔽以及辐射生物效应等学科的基础。基础。65 电离辐射是由电离辐射是由直接或间接电离粒子或直接或间接电离粒子或由两者混合组成的任由两者混合组成的任何辐射。直接电离粒子是本身带有电荷，可以通过碰撞就能引何辐射。直接电离粒子是本身带有电荷，可以通过碰撞就能引起物质电离的带电粒子，例如电子、起物质电离的带电粒子，例如电子、射线、质子和射线、质子和粒子等。粒子等。间接电离粒子是能够释放出直接电离粒子或引起核变化的非带间接电离粒子是能够释放出直接电离粒子或引起核变化的非带电粒子，例如光子、中子等。电粒子，例如光子、中子等。 致电离辐射致电离辐射，辐射能量大于辐射能量大于1010eVeV。即可使探测介质的原即可使探测介质的原子发生电离的能量。子发生电离的能量。 66射线与物质相互作用的分类射线与物质相互作用的分类带电粒子辐射不带电辐射重带电粒子中子快电子X-射线 和 -射线fTdp,a a e b b67 （1 1）带电粒子能量损失方式之一）带电粒子能量损失方式之一-电离损失电离损失 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑库仑作用，使电子作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。获得能量而引起原子的电离或激发。 电离电离核外层电子克服束核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为缚成为自由电子，原子成为正离子。正离子。激发激发使核外层电子由低能级使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。状态，退激发光。1. 1. 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 68 （2 2）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 入射带电粒子与入射带电粒子与原子核之间原子核之间的库仑力作用，使入射带电的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐轫致辐射射( (BremsstrahlungBremsstrahlung) )。它是它是X X射线的一种，具有连续的能量分射线的一种，具有连续的能量分布。布。69（3 3）能量损失率）能量损失率-入射带电粒子在物质中经过单位入射带电粒子在物质中经过单位路程上损失的能量，又称阻止本领路程上损失的能量，又称阻止本领其中其中 为电离损失率；为电离损失率； 为辐射损失率。为辐射损失率。 dXdES radionradiondXdEdXdESSS ionSradS70电离损失率式中 为入射带电粒子的电荷数和速度； 为靶物质原子的原子序数和单位体积中包含的原子数。主要关系： ； 可见，对电子而言，在相近能量下，其速度远大于重带电粒子，所以，电子是弱电离粒子。对1MeV的粒子和电子的比电离密度分别为 和 （对标准状态空气而言）。NZvzdXdESionion 22vz,NZ,EvSion112 2zSion NZSion cm离子对离子对4106 cm离离子子对对4571辐射损失率辐射损失率式中式中 为入射粒子的质量和能量。为入射粒子的质量和能量。可见：可见：（1 1）辐射能量损失率与）辐射能量损失率与 成反比，因此电子的辐射能量成反比，因此电子的辐射能量损失率或电子的轫致辐射强度比重带电粒子要大得多。损失率或电子的轫致辐射强度比重带电粒子要大得多。（2 2）辐射能量损失率与）辐射能量损失率与 成正比，表明电子打到重元素成正比，表明电子打到重元素靶物质中，容易发生轫致辐射。靶物质中，容易发生轫致辐射。（3 3）辐射能量损失率与粒子能量）辐射能量损失率与粒子能量 成正比，所以，电子能成正比，所以，电子能量低时，电离损失占优势，能量高时，辐射损失就变得重要量低时，电离损失占优势，能量高时，辐射损失就变得重要了。了。NEmZzdXdESradrad 222Em,2m2ZE72 700/ZEdxdEdxdEionrad 对快电子而言，能量损失率是两种能量损失率之和，两这对快电子而言，能量损失率是两种能量损失率之和，两这之比为：之比为：E E的单位为的单位为MeVMeV 一般情况下所涉及快电子的能量一般情况下所涉及快电子的能量E E 一般不超过几个一般不超过几个MeVMeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数所以，辐射能量损失只有在高原子序数( (大大Z Z) )的吸收材料中的吸收材料中才是重要的。才是重要的。73重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；电离或激发；重带电粒子在介质中的运动重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线径迹近似为直线。 快电子与物质相互作用的特点：快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大；快电子的速度大；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；快电子散射严重快电子散射严重,甚至发生反散射甚至发生反散射。 74（）带电粒子在物质中的射程（）带电粒子在物质中的射程 射程射程(Range)(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行径的最大的定义带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程距离，称为入射粒子在该物质中的射程R R。入射粒子在物质入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)(Path)。 重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。相近。75 a a粒子在空气中的粒子在空气中的射程射程)(318. 05 . 10cmERaa aE为为a a粒子能量，单位为粒子能量，单位为MeVMeV。公式适用范围：公式适用范围：MeV73对对 放射源发射的放射源发射的 粒子，粒子，Po210aMeVE304. 5a在在空气中的射程空气中的射程在肌肉内的射程在肌肉内的射程cmR88. 30mR8 .247677nmEER412)(Enln0954. 0265. 1MeVEMeV301. 0 MeVEMeV201 106530)(EERm快电子射程快电子射程单能电子在吸收介质中的射程单能电子在吸收介质中的射程R Rm m( (mg/cmmg/cm2 2) )与其能量与其能量E E( (MeVMeV) )之间的关系：之间的关系：经验公式：经验公式：经验公式：经验公式：78例例 发出的发出的 的射程的射程cmRcmRcmmgRairwater11612 . 1/1394/394. 11000/1394/1394)10683. 2530(maxmax2maxbbbn=1.166Rm=1385mg/cm2Sr90MeVE83. 2maxbair= 1.2kg/m 3， water= 1000kg/m 3经验公式：经验公式：经验公式：经验公式：79 ( () ) 正电子的湮没正电子的湮没 正电子与物质发生相互作用的能量损失机制即电离正电子与物质发生相互作用的能量损失机制即电离损失和辐射损失与电子相同。但不同点在于：损失和辐射损失与电子相同。但不同点在于： 高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端，即迹的末端，即停下来的瞬间与介质中的电子发生湮没停下来的瞬间与介质中的电子发生湮没，放出放出 光子；光子； 或者，它与介质中的一个电子结合成正电或者，它与介质中的一个电子结合成正电子素，即电子子素，即电子正电子对的束缚态，然后再湮没，正电子对的束缚态，然后再湮没，放放出出 光子。光子。 正电子湮没放出光子的过程称为正电子湮没，正电子湮没放出光子的过程称为正电子湮没，放出的光子称为湮没光子放出的光子称为湮没光子 。80两个湮没光子的能量相同，各等于两个湮没光子的能量相同，各等于0.5110.511MeVMeV。而两个湮没光而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。子的发射方向相反，且发射是各向同性的。81 射线与射线与X X射线的本质射线的本质电磁辐射电磁辐射 X特征特征 射线：射线：湮没辐射：湮没辐射：核能级跃迁核能级跃迁正电子湮没产生正电子湮没产生MeVE511. 0 特征特征X X 射线：射线：原子能级跃迁原子能级跃迁轫致辐射：轫致辐射：带电粒子速度或运动方向带电粒子速度或运动方向改变产生改变产生2. X、射线与物质相互作用82 射线与物质相互作用主要的方式射线与物质相互作用主要的方式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83 依照入射粒子的类型不同，入射粒子可能与物质中依照入射粒子的类型不同，入射粒子可能与物质中发生相互作用的对象（例如原子的电子、原子核或整个发生相互作用的对象（例如原子的电子、原子核或整个原子）亦不相同。通常，原子）亦不相同。通常，把与入射粒子相互作用的原子、把与入射粒子相互作用的原子、原子的电子或原子核看成是入射粒子的原子的电子或原子核看成是入射粒子的“靶靶”。由于相由于相互作用的随机性，入射粒子并非都会与靶相互作用；每互作用的随机性，入射粒子并非都会与靶相互作用；每个入射粒子只是以一定的概率与某一特定的靶（即电子、个入射粒子只是以一定的概率与某一特定的靶（即电子、原子核或整个原子）发生作用，其相互作用的概率取决原子核或整个原子）发生作用，其相互作用的概率取决于入射粒子的类型和能量，同时也取决于物质的性质。于入射粒子的类型和能量，同时也取决于物质的性质。 假若，假若，入射粒子的粒子注量为入射粒子的粒子注量为，入射粒子与某一，入射粒子与某一特定相关靶发生一次特定相互作用的概率为特定相关靶发生一次特定相互作用的概率为P，则定义，则定义 =P/ 为这种入射粒子与相关靶发生上述相互作用的为这种入射粒子与相关靶发生上述相互作用的“截面截面”。可见，可见，截面截面就是单位粒子注量的入射粒子与一个靶发生就是单位粒子注量的入射粒子与一个靶发生一次相互作用的概率一次相互作用的概率，它是描述了入射粒子与物质相互，它是描述了入射粒子与物质相互作程度的一个物理量。作程度的一个物理量。84截面的概念：截面的概念： 截面截面 的定义：一个入射光子与单位面积一的定义：一个入射光子与单位面积一个原子发生作用的概率，其量纲为面积，常用单个原子发生作用的概率，其量纲为面积，常用单位为位为“巴（巴（b b）” 2282241011011mcmb 85 射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和，即：截面来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和，即：pcph 总截面总截面光电效应截面光电效应截面康普顿效应截面康普顿效应截面电子对效应截面电子对效应截面86ireEEhv由能量守恒：由能量守恒：hhvEieieE因此，光电子能量为：因此，光电子能量为：（1 1）光电效应光电效应87 光电效应，特征光电效应，特征X射线和俄歇电子发射示意图射线和俄歇电子发射示意图 光电效应是一个光子与物质中的一个轨道电子相互作用，其光电效应是一个光子与物质中的一个轨道电子相互作用，其能量全部转移给电子，光子被吸收。得到能量的电子脱离原能量全部转移给电子，光子被吸收。得到能量的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子。子核的束缚而成为自由电子。 88（2 2） 康普顿效应康普顿效应 射线与物质的另一种作用是入射光子与靶原子核外电子发射线与物质的另一种作用是入射光子与靶原子核外电子发生生非弹性散射非弹性散射，把一部分动能交给原子外层电子，电子从原，把一部分动能交给原子外层电子，电子从原子中以与入射光子方向成子中以与入射光子方向成角方向射出，这一电子成为反冲角方向射出，这一电子成为反冲电子，而光子的运动方向和能量发生变化。电子，而光子的运动方向和能量发生变化。 康普顿散射示意图康普顿散射示意图 89 光子从原子核旁经过，在核的库仑场作用下，光子从原子核旁经过，在核的库仑场作用下， 光子光子转化成为正负电子对。转化成为正负电子对。 正负电子对的能量：正负电子对的能量：202cmhEEee （3 3）电子对生成效应）电子对生成效应90 用用ph、c、p分别代表入射光子与物质原子发生光电效分别代表入射光子与物质原子发生光电效应、康普顿效应及电子对效应的截面，并用应、康普顿效应及电子对效应的截面，并用代表入射光代表入射光子与物质原子发生作用的总截面。按照概率相加的原理应子与物质原子发生作用的总截面。按照概率相加的原理应当有当有 =phcp 当当E1.02MeV时，时，p0 这三种效应的截面均与物质的原子序数这三种效应的截面均与物质的原子序数Z相关，即相关，即 光电效应：光电效应： phZ5 康普顿效应：康普顿效应：c Z 电子对效应：电子对效应：p Z2 可见三种效应截面均随物质原子序数的增大而增大，可见三种效应截面均随物质原子序数的增大而增大，其中光电截面其中光电截面ph的变化最剧烈，电子对效应截面的变化最剧烈，电子对效应截面p次之，次之，而康普顿效应截面而康普顿效应截面c的变化最小（为线性关系）。的变化最小（为线性关系）。91（4 4）三种效应的相互关系）三种效应的相互关系 1) 1) 对于低能射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；对于低能射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；2) 2) 对于中能射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；对于中能射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；3) 3) 对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。 92 由上图可见：由上图可见：（1）对于低能）对于低能射线和原子序数高的吸收物质，光电效射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；应占优势；（2）对于中能）对于中能射线和原子序数低的吸收物质，康普顿射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；效应占优势；（3）对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电子对效）对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。应占优势。 对于低对于低Z介质（例如碳、空气、水、人体组织），介质（例如碳、空气、水、人体组织），康普顿效应占优势的范围是非常宽广的，约从康普顿效应占优势的范围是非常宽广的