第二章射线与物质的相互作用优秀课件.ppt
第二章射线与物质的相互作用第1页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 教学内容：教学内容：1 1 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、带电粒子与物质的相互作用、带电粒子与物质的相互作用 2 2 2 2、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第2页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 放射性核素衰变过程中放出的带电粒子放射性核素衰变过程中放出的带电粒子放射性核素衰变过程中放出的带电粒子放射性核素衰变过程中放出的带电粒子(、)穿过穿过穿过穿过空气、岩石以及机体组织时，与这些物质相互作用。主要空气、岩石以及机体组织时，与这些物质相互作用。主要空气、岩石以及机体组织时，与这些物质相互作用。主要空气、岩石以及机体组织时，与这些物质相互作用。主要的作用过程有电离、激发、散射、轫致辐射等，最后被吸的作用过程有电离、激发、散射、轫致辐射等，最后被吸的作用过程有电离、激发、散射、轫致辐射等，最后被吸的作用过程有电离、激发、散射、轫致辐射等，最后被吸收。收。收。收。一、一、一、一、粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用 1 1 1 1、主要作用过程是电离和激发、主要作用过程是电离和激发、主要作用过程是电离和激发、主要作用过程是电离和激发 当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库当具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库伦作用时，把本身的伦作用时，把本身的伦作用时，把本身的伦作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子部分能量传递给轨道电子部分能量传递给轨道电子部分能量传递给轨道电子。如果。如果。如果。如果轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子逃出原子逃出原子逃出原子壳层而成为自由电子壳层而成为自由电子壳层而成为自由电子壳层而成为自由电子，此过程称为，此过程称为，此过程称为，此过程称为电离电离电离电离。第3页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而而而而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程，此过程，此过程，此过程称为称为称为称为激发。激发。激发。激发。由电离产生的某些电子，具有足够的动能，由电离产生的某些电子，具有足够的动能，由电离产生的某些电子，具有足够的动能，由电离产生的某些电子，具有足够的动能，能进一步引能进一步引能进一步引能进一步引起物质电离起物质电离起物质电离起物质电离，这些电子称为，这些电子称为，这些电子称为，这些电子称为次级电子次级电子次级电子次级电子或或或或射线射线射线射线。由。由。由。由射线射线射线射线产生的电离称为产生的电离称为产生的电离称为产生的电离称为间接电离间接电离间接电离间接电离或或或或次级电离次级电离次级电离次级电离。由入射带电粒子与物。由入射带电粒子与物。由入射带电粒子与物。由入射带电粒子与物质直接作用产生的电离称为质直接作用产生的电离称为质直接作用产生的电离称为质直接作用产生的电离称为直接电离直接电离直接电离直接电离或或或或初级电离初级电离初级电离初级电离。2 2 2 2、粒子电离能量损失率粒子电离能量损失率粒子电离能量损失率粒子电离能量损失率 第4页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 从上式可以得出：从上式可以得出：从上式可以得出：从上式可以得出：(1)(1)(1)(1)、电电电电离离离离损损损损失失失失与与与与重重重重带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子的的的的电电电电荷荷荷荷z z z z2 2 2 2成成成成正正正正比比比比，说说说说明明明明带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子的的的的电电电电荷荷荷荷z z z z越越越越大大大大，与与与与轨轨轨轨道道道道电电电电子子子子的的的的库库库库仑仑仑仑作作作作用用用用力力力力越越越越大大大大，因因因因而传递给电子的能量越多。而传递给电子的能量越多。而传递给电子的能量越多。而传递给电子的能量越多。(2)(2)(2)(2)、电电电电离离离离损损损损失失失失与与与与带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子的的的的速速速速度度度度成成成成反反反反比比比比，说说说说明明明明带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子传传传传递递递递给给给给轨轨轨轨道道道道电电电电子子子子的的的的能能能能量量量量和和和和相相相相互互互互作作作作用用用用时时时时间间间间有有有有关关关关，速速速速度度度度愈愈愈愈小，作用时间愈长，传递给轨道电子的能量愈大。小，作用时间愈长，传递给轨道电子的能量愈大。小，作用时间愈长，传递给轨道电子的能量愈大。小，作用时间愈长，传递给轨道电子的能量愈大。(3)(3)(3)(3)、电离损失与物质的电子密度成正比电离损失与物质的电子密度成正比电离损失与物质的电子密度成正比电离损失与物质的电子密度成正比。3 3 3 3、粒子在物质中的粒子在物质中的粒子在物质中的粒子在物质中的射程（射程（射程（射程（R)R)R)R)第5页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 从上式可以看出：速度越大（能量从上式可以看出：速度越大（能量E E大大)射程越射程越大。大。粒子射程粒子射程对曲线对曲线A A求微分求微分得到曲线得到曲线B B，A A曲线与横坐标的曲线与横坐标的交点交点R Rmaxmax为最大为最大射程。射程。第6页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 二、二、二、二、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1 1 1 1、电离与激发、电离与激发、电离与激发、电离与激发 引起能量损失：引起能量损失：引起能量损失：引起能量损失：2 2 2 2、轫致辐射轫致辐射轫致辐射轫致辐射 产生轫致辐射的能量损失率产生轫致辐射的能量损失率产生轫致辐射的能量损失率产生轫致辐射的能量损失率 第7页，本讲稿共15页带电粒子与物质的相互作用 （三）、（三）、（三）、（三）、射线的散射射线的散射射线的散射射线的散射 粒子在物质中与原子核库仑场作用，发生不损失能量粒子在物质中与原子核库仑场作用，发生不损失能量粒子在物质中与原子核库仑场作用，发生不损失能量粒子在物质中与原子核库仑场作用，发生不损失能量只改变运动方向的弹射散射。只改变运动方向的弹射散射。只改变运动方向的弹射散射。只改变运动方向的弹射散射。（四）、（四）、（四）、（四）、射线的射程和衰减射线的射程和衰减射线的射程和衰减射线的射程和衰减 一定能量的一定能量的一定能量的一定能量的射线，穿过物质几乎完全被吸收时的射线，穿过物质几乎完全被吸收时的射线，穿过物质几乎完全被吸收时的射线，穿过物质几乎完全被吸收时的物质厚度，称为物质厚度，称为物质厚度，称为物质厚度，称为射线的射线的射线的射线的射程。射程。射程。射程。实验证明，实验证明，实验证明，实验证明，物质对物质对物质对物质对射线的吸收过程比较复杂，射线的吸收过程比较复杂，射线的吸收过程比较复杂，射线的吸收过程比较复杂，可近似地用指数规律来表示为：可近似地用指数规律来表示为：可近似地用指数规律来表示为：可近似地用指数规律来表示为：（五）、放射性物质层的自吸收（五）、放射性物质层的自吸收（五）、放射性物质层的自吸收（五）、放射性物质层的自吸收 第8页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 射线与物质相互作用的主要过程：射线与物质相互作用的主要过程：射线与物质相互作用的主要过程：射线与物质相互作用的主要过程：一、光电效应一、光电效应一、光电效应一、光电效应 不同不同光子能量时光电子分布光子能量时光电子分布 射线通过物质，与物射线通过物质，与物质原子相碰撞，可能使全部质原子相碰撞，可能使全部能量传递给原子，入射的能量传递给原子，入射的射线（光子）全部消失。射线（光子）全部消失。能量在原子中分配，使结能量在原子中分配，使结合能适当的电子获得能量合能适当的电子获得能量克服原子核的束缚（结合克服原子核的束缚（结合能）发射出去，并使原子能）发射出去，并使原子受到反冲。这样的作用过受到反冲。这样的作用过程称为光电效应，发射的程称为光电效应，发射的电子称为光电子。电子称为光电子。第9页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 1 1 1 1、光电子的动能：、光电子的动能：、光电子的动能：、光电子的动能：入射的入射的入射的入射的射线的能量为射线的能量为射线的能量为射线的能量为hv,hv,hv,hv,若轨道电若轨道电若轨道电若轨道电子的结合能为子的结合能为子的结合能为子的结合能为EnEnEnEn，则光电子的动能为，则光电子的动能为，则光电子的动能为，则光电子的动能为 2 2 2 2、发生光电效应的条件是：发生光电效应的条件是：发生光电效应的条件是：发生光电效应的条件是：入射光子的能量必须大入射光子的能量必须大入射光子的能量必须大入射光子的能量必须大于某壳层电子的结合能。于某壳层电子的结合能。于某壳层电子的结合能。于某壳层电子的结合能。3 3 3 3、光电吸收（效应）截面（又称光电吸收系数）：、光电吸收（效应）截面（又称光电吸收系数）：、光电吸收（效应）截面（又称光电吸收系数）：、光电吸收（效应）截面（又称光电吸收系数）：表表表表示示示示光子束垂直穿过光子束垂直穿过光子束垂直穿过光子束垂直穿过1cm1cm1cm1cm物质层时产生光电效率的几率，物质层时产生光电效率的几率，物质层时产生光电效率的几率，物质层时产生光电效率的几率，单位为单位为单位为单位为cmcmcmcm-1-1-1-1。二、二、二、二、射线的散射作用射线的散射作用射线的散射作用射线的散射作用 产生两种方式的散射：产生两种方式的散射：产生两种方式的散射：产生两种方式的散射：第10页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 1 1 1 1、散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为、散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为、散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为、散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射（又称相干散射）；（又称相干散射）；（又称相干散射）；（又称相干散射）；2 2 2 2、散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为、散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为、散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为、散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为康普顿康普顿康普顿康普顿散射散射散射散射（又称非相干散射）。（又称非相干散射）。（又称非相干散射）。（又称非相干散射）。入射入射射线与原子的壳射线与原子的壳层电子相碰撞，将一层电子相碰撞，将一部分能量传给电子，部分能量传给电子，使获得的能量的电子使获得的能量的电子沿沿射线入射方向成射线入射方向成角角射出原子之外。损失能射出原子之外。损失能量之后的光子成量之后的光子成角方角方向散射出去。向散射出去。康普顿效应示意图康普顿效应示意图第11页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 如果入射如果入射如果入射如果入射射线能量为射线能量为射线能量为射线能量为E E E E,散射能量为散射能量为散射能量为散射能量为E E E E，反冲电，反冲电，反冲电，反冲电子能量为子能量为子能量为子能量为E E E E0 0 0 0。根据能量和动量守恒定律，三者关系为：。根据能量和动量守恒定律，三者关系为：。根据能量和动量守恒定律，三者关系为：。根据能量和动量守恒定律，三者关系为：式中：式中：式中：式中：m m m m为反冲电子以速度为反冲电子以速度为反冲电子以速度为反冲电子以速度v v v v运动时具有的质量；运动时具有的质量；运动时具有的质量；运动时具有的质量；c c c c为光为光为光为光速；速；速；速；、mvmvmvmv为为为为射线、散射射线和反冲电子的动能。射线、散射射线和反冲电子的动能。射线、散射射线和反冲电子的动能。射线、散射射线和反冲电子的动能。第12页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用三、电子对效应三、电子对效应三、电子对效应三、电子对效应 当入射光子的能量大于当入射光子的能量大于2m2m0 0v v2 2时，入射时，入射光子在库仑场光子在库仑场作用下能量完全被吸收，电子从负能级跃迁到正能级，同时作用下能量完全被吸收，电子从负能级跃迁到正能级，同时放出一对正、负电子，这就是放出一对正、负电子，这就是电子对效应电子对效应。能量关系为：能量关系为：式中：式中：；、分别为电子、分别为电子、正电子、入射正电子、入射射线的能量。射线的能量。电子对效应示意图电子对效应示意图第13页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用四、四、四、四、射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减 光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没有发生。经过相互作用的光子数可用发生相互作用，有的则没有发生。经过相互作用的光子数可用发生相互作用，有的则没有发生。经过相互作用的光子数可用发生相互作用，有的则没有发生。经过相互作用的光子数可用发生相互作用的几率来表示。线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单位用的几率来表示。线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单位用的几率来表示。线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单位用的几率来表示。线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单位距离时，平均发生距离时，平均发生距离时，平均发生距离时，平均发生总的相互作用的几率总的相互作用的几率总的相互作用的几率总的相互作用的几率。若吸收物质单位体积中原子数为若吸收物质单位体积中原子数为若吸收物质单位体积中原子数为若吸收物质单位体积中原子数为N N N N，密度为，密度为，密度为，密度为，入射，入射，入射，入射初始初始初始初始射线强度（照射量率）为射线强度（照射量率）为射线强度（照射量率）为射线强度（照射量率）为I I I I0 0 0 0,在物质厚度为在物质厚度为在物质厚度为在物质厚度为x x x x处，测得处，测得处，测得处，测得射线强度为射线强度为射线强度为射线强度为I I I I；则通过；则通过；则通过；则通过dxdxdxdx厚度，厚度，厚度，厚度，射线强度的变化为射线强度的变化为射线强度的变化为射线强度的变化为dIdIdIdI，可用下式表示：，可用下式表示：，可用下式表示：，可用下式表示：解得：解得：解得：解得：第14页，本讲稿共15页射线与物质的相互作用 在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：式中：式中：式中：式中：d d d dM M M M=称质量厚度，单位为称质量厚度，单位为称质量厚度，单位为称质量厚度，单位为g/cmg/cmg/cmg/cm2 2 2 2。m m m m=/称质量衰减系数，单位为称质量衰减系数，单位为称质量衰减系数，单位为称质量衰减系数，单位为cmcmcmcm2 2 2 2/g/g/g/g。第15页，本讲稿共15页
