射线与物质的相互作用学习资料.ppt

射线与物质的相互作用 粒子电离能量损失，粒子电离能量损失，与粒子本身的质量无关与粒子本身的质量无关，但，但与与吸收物质的密度和原子序数吸收物质的密度和原子序数Z Z成正比成正比，与它的电荷数的平与它的电荷数的平方成正比方成正比，与速度的平方成反比与速度的平方成反比，能量越低，损失越大。，能量越低，损失越大。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护2粒子与原子核的作用粒子与原子核的作用 粒子通过物质时，可能与原子核发生库仑作用而改变粒子通过物质时，可能与原子核发生库仑作用而改变运动方向，即运动方向，即卢瑟福散射卢瑟福散射，还可能进入原子核，使原来的，还可能进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，即产生一新核并放出一个或几个原子核发生根本性变化，即产生一新核并放出一个或几个粒子，属于粒子，属于核反应核反应过程。例如用过程。例如用210Po放出的放出的粒子打击粒子打击9Be制成的靶，产生制成的靶，产生12C和中子，这一过程可写成核反应式：和中子，这一过程可写成核反应式：或简单写成：或简单写成：核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护3 3粒子的吸收与射程粒子的吸收与射程 粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为吸收吸收。带电粒子从进入物质到完全被吸收，在其原来的运动方向带电粒子从进入物质到完全被吸收，在其原来的运动方向上穿过的最大距离，称为某带电粒子在该物质中的上穿过的最大距离，称为某带电粒子在该物质中的射程射程。粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲。曲。对于一束单能的对于一束单能的粒子，它们在物质中的射程几乎相同。粒子，它们在物质中的射程几乎相同。图图2-1 粒子在核乳胶中的径迹粒子在核乳胶中的径迹 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 不同不同粒子在空气、生物阻织和铝中的射程已由实验粒子在空气、生物阻织和铝中的射程已由实验测出，其结果列于表测出，其结果列于表2-12-1。表表2-1 2-1 粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程E/MeV4.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.010.0空气空气/cm生物生物组织组织/m铝铝/m2.531163.037203.543234.049264.656305.264345.972386.681437.491488.1100538.91105810.613069 能量范围在能量范围在4 48 MeV8 MeV之间的之间的粒子在空气中的射程与粒子在空气中的射程与能量关系的经验公式为能量关系的经验公式为（2-2）式中：式中：R为平均射程，单位取为平均射程，单位取cm；E为为粒子能量，单位粒子能量，单位MeV。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 在其他物质中在其他物质中粒子射程可由布拉格克利曼（粒子射程可由布拉格克利曼（Bragg-Bragg-KleemanKleeman）公式计算，即）公式计算，即 （2-3）式中：式中：Ri为为粒子在粒子在i吸收物质中的平均射程；吸收物质中的平均射程；i为为i吸收物质吸收物质的密度；的密度；Ai是是i吸收物质原子质量数；吸收物质原子质量数；R是空气中是空气中粒子的平均粒子的平均射程。射程。2.2 2.2 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1 1粒子引起的粒子引起的电离和激发电离和激发 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-2 2-2 电子与原子的弹性碰撞与非弹性碰撞示意图电子与原子的弹性碰撞与非弹性碰撞示意图（a a）弹性碰撞）弹性碰撞 （b b）非弹性碰撞）非弹性碰撞 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 电子在某物质中通过单位长度路径时，由于电离和激电子在某物质中通过单位长度路径时，由于电离和激发而引起的能量损失称为发而引起的能量损失称为电离能量损失率电离能量损失率，用，用 由原入射电子产生的电离称为由原入射电子产生的电离称为直接电离直接电离。在直接电离。在直接电离中产生的电子叫做中产生的电子叫做次级电子次级电子，如果次级电子具有足够高的，如果次级电子具有足够高的能量，它还能引起其他原子产生电离，称为能量，它还能引起其他原子产生电离，称为次级电离次级电离。表示（表示（COLCOL代表碰撞），根据贝特（代表碰撞），根据贝特（BetherBether）公式，电子的）公式，电子的电离能量损失率具体可以表示为电离能量损失率具体可以表示为核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护式中：式中：m0、e为电子静止质量和电荷；为电子静止质量和电荷；N 为为1cm3 体积吸收物质包含的原子数；体积吸收物质包含的原子数；Z 为吸收物质原子序数；为吸收物质原子序数；是入射电子的速度；是入射电子的速度；/c，c是光速；是光速；I 为吸收物质原子的平均电离电位；为吸收物质原子的平均电离电位；E 为入射电子的平均动能；为入射电子的平均动能；显然，电子的电离能量损失率除依赖于入射电子的能显然，电子的电离能量损失率除依赖于入射电子的能量外，还量外，还与吸收物质的密度与吸收物质的密度和原子序数和原子序数Z成正比成正比。（2-4）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护2 2韧致辐射韧致辐射 当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射，这就是部转变为连续能量的电磁辐射，这就是韧致辐射韧致辐射，又称，又称韧致韧致X射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到电子的最大动能。电子的最大动能。电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射而损失的能量称为而损失的能量称为辐射能量损失率辐射能量损失率，用，用表示，贝特（表示，贝特（BetherBether）给出的具体表达式为）给出的具体表达式为 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 由由于于辐辐射射能能量量损损失失率率与与吸吸收收物物质质原原子子序序数数Z Z的的平平方方成成正正比比，这这表表明明高高能能电电子子射射到到重重元元素素上上更更容容易易产产生生韧韧致致辐辐射射。辐辐射射能能量量损损失失率率还还与与入入射射粒粒子子质质量量的的平平方方成成反反比比，这这一一点点使使得得只只有有电电子子才才是是韧韧致致辐辐射射的的有有意意义义的的来来源源，对对于于其其他他重重粒子，由于质量很大，韧致辐射可以忽略。粒子，由于质量很大，韧致辐射可以忽略。（2-5）其中各物理量的意义与前式相同。其中各物理量的意义与前式相同。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 在电子能量很大时，它的能量损失主要是韧致辐射损失，在电子能量很大时，它的能量损失主要是韧致辐射损失，能量较小时，仍以电离损失为主。电子的辐射损失和电离损能量较小时，仍以电离损失为主。电子的辐射损失和电离损失之比大致是失之比大致是 （2-6）物质空气水铝铅电子能量（MeV）1501506010当当 时对应的电子能量为时对应的电子能量为Ecri几种不同物质的几种不同物质的Ecri 表明：空气、水等轻原子材料中，当电子能量远小于表明：空气、水等轻原子材料中，当电子能量远小于150MeV时，时，以碰撞损失为主。在大于以碰撞损失为主。在大于150MeV时，辐射损失占优势。时，辐射损失占优势。铅的铅的Ecri数值很小，说明很容易发生轫致辐射。数值很小，说明很容易发生轫致辐射。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护为物质的为物质的线阻止本领线阻止本领。对应于线阻止本领，还有。对应于线阻止本领，还有质量阻质量阻止本领止本领，表示，表示入射电子在通过单位质量厚度入射电子在通过单位质量厚度(1 g(1 gcmcm-2-2)某某物质时的能量损失，记作物质时的能量损失，记作其中，其中，为吸收物质的密度。为吸收物质的密度。如果从吸收物质的角度来命名，可定义如果从吸收物质的角度来命名，可定义核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护3 3粒子的吸收和射程粒子的吸收和射程 粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的粒子在穿过一定物质时，强度会减弱。如果物质的厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称厚度足够大，最后它们会完全停留在物质中，这种现象称之为之为吸收吸收。粒子的路径是弯弯曲曲的，而粒子的路径是弯弯曲曲的，而粒子的路径近乎一条粒子的路径近乎一条直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲；直线，只是在它路径的末端略有一些弯曲；粒子通过物粒子通过物质时的吸收成指数函数规律衰减，即使对于初始能量完全质时的吸收成指数函数规律衰减，即使对于初始能量完全相同的电子在吸收物质中也没有固定的射程。相同的电子在吸收物质中也没有固定的射程。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-3 粒子在核乳胶中的径迹粒子在核乳胶中的径迹 射程和路径的概念并不一样。一般来说路径的长度射程和路径的概念并不一样。一般来说路径的长度是它射程的是它射程的1.24倍。实验证明，倍。实验证明，当当粒子能量大于粒子能量大于1 MeV时，射程和能量的关系基本上是线性的时，射程和能量的关系基本上是线性的。能量为。能量为 4 MeV的电子在空气中的射程达的电子在空气中的射程达 15 m。射线在物质中的射线在物质中的射程用质量厚度来表示，单位是射程用质量厚度来表示，单位是gcm-2。图图2-1 粒子在核乳胶中的径迹粒子在核乳胶中的径迹 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 在在电电子子能能量量处处于于0.56 MeV情情况况下下，粒粒子子的的吸吸收收关关系系可近似用指数函数来表示，即可近似用指数函数来表示，即式中：式中：I0表示进入吸收物质前的表示进入吸收物质前的射线强度，射线强度，I是穿过是穿过x cm厚度吸收物质后的厚度吸收物质后的射线强度，射线强度，为吸收物质对为吸收物质对粒子的粒子的线性线性吸收系数吸收系数，单位是，单位是cm-1。（2-7）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度g gcmcm-2-2，此时对应的吸收系数称为，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数质量吸收系数，以，以m m表表示，其单位是示，其单位是cmcm2 2/g/g，上式就改写为，上式就改写为式中：式中：xm表示吸收物质的质量厚度，表示吸收物质的质量厚度，为物质密度。为物质密度。（2-8）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护质量吸收系数质量吸收系数m m与与粒子最大能量的经验公式为粒子最大能量的经验公式为 将单向粒子流的辐射量或强度减少到初始值一半时的减将单向粒子流的辐射量或强度减少到初始值一半时的减弱层厚度称为弱层厚度称为半厚度半厚度，也称半值厚度或半值层，也称半值厚度或半值层，以以d1/2表示，表示，是辐射防护领域常用的术语。对于指数衰变系统，存在是辐射防护领域常用的术语。对于指数衰变系统，存在（2-9）（2-10）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 如果将如果将以以m m替换，则替换，则d d1/21/2变换为（变换为（d dm m）1/21/2，称为，称为半半吸收厚度吸收厚度，是，是粒子束强度减弱一半时所需要的吸收物粒子束强度减弱一半时所需要的吸收物质质量厚度。一些常用公式如下：质质量厚度。一些常用公式如下：（2-12）（2-11）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护4切伦科夫辐射切伦科夫辐射 高速带电粒子（如高速带电粒子（如粒子）通过折光系数较大的物质时，粒子）通过折光系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度，此时带电粒它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度，此时带电粒子的能量将有一部分以可见光或接近可见光的形式释放出来，子的能量将有一部分以可见光或接近可见光的形式释放出来，这种现象于这种现象于 1934 年首先为前苏联科学家年首先为前苏联科学家 切伦科夫切伦科夫（.）发现，故称切伦科夫辐射。发现，故称切伦科夫辐射。5湮没辐射湮没辐射 一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可能转化一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可能转化为为辐射，称辐射，称湮没辐射湮没辐射。例如一个。例如一个+粒子与一个负电子碰撞，粒子与一个负电子碰撞，产生两个（或三个，但几率很小）能量为产生两个（或三个，但几率很小）能量为0.511 MeV的的光子。光子。实验证明，大部分正电子是在低能时湮没的。实验证明，大部分正电子是在低能时湮没的。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 X射线与射线与射线都是电磁波，两者没有本质差别，只是产射线都是电磁波，两者没有本质差别，只是产生的方式和波长不同。生的方式和波长不同。射线是激发态原子核退激或正负电子对湮灭的产物，而射线是激发态原子核退激或正负电子对湮灭的产物，而X射线是原子的壳层电子由外层向内层空位跃迁或快速电子射线是原子的壳层电子由外层向内层空位跃迁或快速电子与原子核外电子库仑场作用的产物。与原子核外电子库仑场作用的产物。一般说来，一般说来，射线波长比射线波长比X射线波长更短。射线波长更短。射线是高能射线是高能量的光子，称为光量子，其能量用量的光子，称为光量子，其能量用hv表示，表示，h是普朗克常数，是普朗克常数，v是电磁波的频率。是电磁波的频率。2.3 2.3、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护1射线与物质相互作用机理射线与物质相互作用机理光子与物质原子相互作用主要有三种方式，如图所示。光子与物质原子相互作用主要有三种方式，如图所示。图图2-4 光子与物质原子相互作用光子与物质原子相互作用核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护（1）光电效应）光电效应 能量为能量为E的入射的入射光子把全光子把全部能量转移给某个束缚电子，使部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，电子脱离原子束缚而发射出去，成为光电子，光子本身消失。发成为光电子，光子本身消失。发射光电子的动能射光电子的动能Ee为为（2-13)Bi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征并放出特征X射线。射线。（2）康普顿效应）康普顿效应 光子与自由静止的电子发生光子与自由静止的电子发生碰撞，将一部分能量转移给电子，碰撞，将一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，使电子成为反冲电子，光子被散光子被散射，改变了原来的能量和运动方向，射，改变了原来的能量和运动方向，这就是康普顿效应。反冲电子的动这就是康普顿效应。反冲电子的动能为能为（2-14）式中：式中：m0c2为电子静止能量，约为为电子静止能量，约为0.5 MeV；角度；角度是散射是散射光子的散射角。当光子的散射角。当 1800时（即光子向后散射，又称为反时（即光子向后散射，又称为反散射），反冲电子的动能有最大值，此时散射），反冲电子的动能有最大值，此时核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护（2-15）这说明康普顿效这说明康普顿效应产生的反冲电子的应产生的反冲电子的能量有一上限最大值，能量有一上限最大值，称为称为康普顿边界康普顿边界。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护（3）电子对效应）电子对效应 当当光子能量大于光子能量大于2 m0c2时，时，光子从原子核旁经过光子从原子核旁经过并受到核的库仑场作用，可并受到核的库仑场作用，可能转化为一个正电子和一个能转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对效应。负电子，称为电子对效应。此时光子能量可表示为两个此时光子能量可表示为两个电子的动能与静止能量之和，电子的动能与静止能量之和，即即（2-16)核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 综上所述，综上所述，光子与物质发生作用时，能量较低时以光子与物质发生作用时，能量较低时以光电效应为主，如果光电效应为主，如果射线能量接近射线能量接近 1 MeV，康普顿效应，康普顿效应将占主导地位，而当将占主导地位，而当射线能量超过射线能量超过 1.02 MeV时，就有时，就有可能产生电子对效应。可能产生电子对效应。一个重要的结论一个重要的结论核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护2窄束窄束射线的吸收射线的吸收 准直成平行束的准直成平行束的射线，通常称为射线，通常称为窄束窄束射线射线。单能的。单能的窄束窄束射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，这种现象称为弱，这种现象称为射线的吸收射线的吸收。射线强度的衰减服从指射线强度的衰减服从指数规律，即数规律，即（2-17）其中其中I0和和I分别是穿过吸收物质前、后的分别是穿过吸收物质前、后的射线强度，射线强度，x是是射射线穿过吸收物质的厚度（单位为），线穿过吸收物质的厚度（单位为），是吸收物质的线性是吸收物质的线性吸收系数。吸收系数。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度gcm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数，以m表示，表示，其单位是其单位是cm2/g，上式就改写为，上式就改写为式中：式中：xm表示吸收物质的质量厚度，表示吸收物质的质量厚度，为物质密度。为物质密度。（2-18）的大小反映了吸收物质吸收的大小反映了吸收物质吸收射线能力的大小。射线能力的大小。是是吸收物质的原子序数吸收物质的原子序数Z Z 和和射线能量的函数，但关系复杂。射线能量的函数，但关系复杂。图2-5 铅、锡、铜、铝对射射线的吸的吸收系数和能量的关系收系数和能量的关系核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-6 lnnxm曲线曲线 在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率在相同实验条件下，由于某一时刻的计数率n总是与该总是与该时刻的时刻的射线强度射线强度I成正比，所以（成正比，所以（2-18）式也可以表示为）式也可以表示为两边同时取对数，得两边同时取对数，得核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 有时，物质对有时，物质对射线的吸收能力也用射线的吸收能力也用“半吸收厚度半吸收厚度”表示，表示，它是指使入射的它是指使入射的射线强度减弱到一半时的吸收物质的质量厚射线强度减弱到一半时的吸收物质的质量厚度，记作（度，记作（dm）1/2，在量值上为在量值上为 （2-21）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-7 宽束宽束射线的衰减射线的衰减1放射源；放射源；2吸收物质；吸收物质；3探测器；探测器；4散射线束；散射线束；5非散射线束非散射线束3宽束宽束射线的吸收射线的吸收核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 由图中可以看出，不仅初级由图中可以看出，不仅初级光子被探测器记录，而且光子被探测器记录，而且经过吸收物质散射的光子也有一部分被记录，因此，宽束经过吸收物质散射的光子也有一部分被记录，因此，宽束条件下的条件下的射线衰减规律变为射线衰减规律变为其中其中 B 称为称为射线通过物质时的射线通过物质时的积累因子积累因子。由于。由于I包括了初包括了初级光子及散射光子，所以级光子及散射光子，所以 B 的值始终大于的值始终大于1 1。B 的大小反映了散射光子的相对贡献，与多种因素有关，的大小反映了散射光子的相对贡献，与多种因素有关，包括放射源形状、吸收物质的原子序数、吸收厚度等。包括放射源形状、吸收物质的原子序数、吸收厚度等。（2-22）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护4.4.穆斯堡尔效应穆斯堡尔效应（Mssbauer Effect）即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德即原子核辐射的无反冲共振吸收。这个效应首先是由德国物理学家穆斯堡尔国物理学家穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mssbauer,1929-)于于1958年在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。年在实验中实现的，因此被命名为穆斯堡尔效应。射线射线反冲反冲反冲反冲E0某核能级某核能级E1E0同样的核同样的核E1射线射线核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护Co-57136keV14.4keV0.0keVFe-5757Co-57Fe的衰变纲图的衰变纲图 对于对于57Fe原子核，从第原子核，从第一激发态（一激发态（E114.4keV）跃）跃迁到基态时，可以发出的迁到基态时，可以发出的射射线能量为线能量为如果此如果此射线打在另外的处于射线打在另外的处于基态的基态的57Fe原子核上，则因原子核上，则因射线的能量正好等于第一激发射线的能量正好等于第一激发态的激发能，理论上应该能够产生共振吸收，使态的激发能，理论上应该能够产生共振吸收，使57Fe原子核激原子核激发到第一激发态，但这种现象在一般情况下并不会发生，因为，发到第一激发态，但这种现象在一般情况下并不会发生，因为，当原子核发射当原子核发射光子时，由于动量守恒，原子核有一反冲动量光子时，由于动量守恒，原子核有一反冲动量核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护其等于其等于光子的动量光子的动量 很容易计算得到很容易计算得到57Fe原子核相应的反冲能量为原子核相应的反冲能量为其与其与E（14.4keV）相比非常小，尽管在讨论发射）相比非常小，尽管在讨论发射光光子过程中常常被忽略，但在讨论共振吸收时，它却是非子过程中常常被忽略，但在讨论共振吸收时，它却是非常重要的。常重要的。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护因为因为光子打到原子核上被吸收时，原子核也会有同样大小光子打到原子核上被吸收时，原子核也会有同样大小的反冲动能，所以实际用来激发原子核的能量只有的反冲动能，所以实际用来激发原子核的能量只有显然，其低于显然，其低于5757FeFe的第一激发能，不能引起共振吸收。的第一激发能，不能引起共振吸收。最直接的想法最直接的想法补偿反冲损失的能量补偿反冲损失的能量1 1、机械补偿机械补偿；2 2、高温热运动高温热运动；3 3、前级反冲前级反冲；核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护最根本的办法最根本的办法消除核的反冲消除核的反冲 1957年底，穆斯堡尔提出实现年底，穆斯堡尔提出实现射线共振吸收的关键射线共振吸收的关键在于消除反冲效应。在于消除反冲效应。如果在实验中把发射和吸收光子的如果在实验中把发射和吸收光子的原子核置于固体晶格中，那么出现反冲效应的就不再是原子核置于固体晶格中，那么出现反冲效应的就不再是单一的原子核，而是整个晶体。由于晶体的质量远远大单一的原子核，而是整个晶体。由于晶体的质量远远大于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可以忽略不于单一的原子核的质量，反冲能量就减少到可以忽略不计的程度，这样就可以实现计的程度，这样就可以实现射线的共振吸收。射线的共振吸收。原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做原子核在发射或吸收光子时无反冲的概率叫做无反无反冲分数冲分数f，值越大，则共振吸收越明显。无反冲分数与光，值越大，则共振吸收越明显。无反冲分数与光子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。子能量、晶格的性质以及环境的温度有关。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 穆斯堡尔使用穆斯堡尔使用191Os晶体作晶体作射线放射源，用射线放射源，用191Ir晶体作晶体作吸收体，于吸收体，于1958年首次在实验上实现了原子核的无反冲共年首次在实验上实现了原子核的无反冲共振吸收。振吸收。图图2-10 191Os191Ir的衰变纲图的衰变纲图 图图2-9 穆斯堡尔实验原理图穆斯堡尔实验原理图S：191Os源及转盘，源及转盘，D：探测器，：探测器，A：吸收体：吸收体191Ir核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-11 穆斯堡尔共振吸收谱穆斯堡尔共振吸收谱 实验发现，当转盘不动，实验发现，当转盘不动，即相对速度为即相对速度为 0 时共振吸收时共振吸收最强，并且吸收谱线的宽度最强，并且吸收谱线的宽度很窄，每秒几厘米的速度就很窄，每秒几厘米的速度就足以破坏共振。足以破坏共振。除了除了191Ir外，穆斯堡尔外，穆斯堡尔还观察到了还观察到了187Re、177Hf、166Er等原子核的无反冲共振等原子核的无反冲共振吸收。由于这些工作，穆斯吸收。由于这些工作，穆斯堡尔被授予堡尔被授予1961年的诺贝尔年的诺贝尔物理学奖。物理学奖。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 穆斯堡尔效应一经发现，就迅速在物理学、化学、生穆斯堡尔效应一经发现，就迅速在物理学、化学、生物学、地质学、冶金学、矿物学等领域得到应用，并在物学、地质学、冶金学、矿物学等领域得到应用，并在20世纪世纪80年代逐渐形成为一门专门学科年代逐渐形成为一门专门学科穆斯堡尔谱学穆斯堡尔谱学。特点特点1：穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领。例如，穆斯堡尔谱具有极高的能量分辨本领。例如，57Fe的的 14.4 keV 跃迁，谱宽度与跃迁，谱宽度与射线的能量之比射线的能量之比E/E 10-13，所以是一种非常精确的测量手段，可以研究原子核，所以是一种非常精确的测量手段，可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用。与周围环境的超精细相互作用。特点特点2：抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、抗干扰能力强、实验设备和技术相对简单、对样品无破坏。对样品无破坏。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 截至截至20052005年上半年，人们已经在固体和粘稠液体中实年上半年，人们已经在固体和粘稠液体中实现了穆斯堡尔效应，样品的形态可以是晶体、非晶体、薄现了穆斯堡尔效应，样品的形态可以是晶体、非晶体、薄膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等，涉及膜、固体表层、粉末、颗粒、冷冻溶液等等，涉及4040余种余种元素的元素的9090余种同位素的余种同位素的110110余个跃迁。余个跃迁。然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效然而大部分同位素只能在低温下才能实现穆斯堡尔效应。在室温下，目前只有应。在室温下，目前只有5757FeFe、119119SnSn、151151EuEu三种同位素能够三种同位素能够实现穆斯堡尔效应。其中实现穆斯堡尔效应。其中5757FeFe的的14.4 keV 14.4 keV 跃迁是人们最常跃迁是人们最常用的、也是研究最多的谱线。用的、也是研究最多的谱线。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-12 BH1224E型穆斯堡尔谱仪的外观型穆斯堡尔谱仪的外观核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护图图2-13 BH1224E穆斯堡尔谱仪仪器原理图穆斯堡尔谱仪仪器原理图 核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护广义相对论证明广义相对论证明 广义相对论指出，在强引力场中时钟要走得慢些，因广义相对论指出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光的谱线，会向此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光的谱线，会向光谱的红端移动，这就是谱线的引力红移效应。引力引起光谱的红端移动，这就是谱线的引力红移效应。引力引起的红移量一般小于的红移量一般小于10-10数量级。同理，由于地球上不同高数量级。同理，由于地球上不同高度引力势能不同，会引起光子离开地球时在不同高度的频度引力势能不同，会引起光子离开地球时在不同高度的频率不同，由于率不同，由于 通过计算可得相差通过计算可得相差2020米带来的频率测量变化为米带来的频率测量变化为210210-15-15HzHz，虽然极为微小，但用穆斯堡尔效应还是可以检测出来的。虽然极为微小，但用穆斯堡尔效应还是可以检测出来的。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护庞德与重力频移实验庞德与重力频移实验 时间：时间：1959年年人物：人物：美国的庞德（美国的庞德（R.v.Pound）雷布卡（雷布卡（G.Rebka）地点：地点：哈佛大学杰佛逊物理实验室哈佛大学杰佛逊物理实验室 放射源：放射源：57Co（进行简谐振动）（进行简谐振动）源与吸收体间距：源与吸收体间距：22.6米米频移理论值：频移理论值：2.4610-15Hz频移实验值：频移实验值：(2.570.26)10-15Hz与理论值比较：与理论值比较：1.050.10Hz庞德和斯尼德尔改进了这一实验，加庞德和斯尼德尔改进了这一实验，加强恒温措施，增进控制系统和电子系强恒温措施，增进控制系统和电子系统的稳定性，加大放射源强度，统的稳定性，加大放射源强度，1965年他们发表的实验结果为理论值的年他们发表的实验结果为理论值的0.99900.0076，偏差小于，偏差小于1。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护2.4 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用1弹性散射弹性散射 当中子能量不高时，弹性散射是中子与一些当中子能量不高时，弹性散射是中子与一些轻核轻核物质物质作用的主要方式。弹性散射可以看成是中子与原子核发生作用的主要方式。弹性散射可以看成是中子与原子核发生弹性碰撞的结果。在弹性碰撞中，中子动能的一部分或全弹性碰撞的结果。在弹性碰撞中，中子动能的一部分或全部交给靶核，变为靶核动能。散射中子的动能为部交给靶核，变为靶核动能。散射中子的动能为（2-22）其中其中A是靶核的质量数。是靶核的质量数。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护当当0o时，时，E=E0，中子能量没有损失；而当，中子能量没有损失；而当180o时，即时，即中子与靶核发生正碰，存在中子与靶核发生正碰，存在（2-23）此时中子损失能量最大。在正碰情况下：此时中子损失能量最大。在正碰情况下：对氢原子核，对氢原子核，A=1，E=0，中子损失全部动能。，中子损失全部动能。对石墨原子核，对石墨原子核，A=12，中子的动能损失不超过，中子的动能损失不超过 28.4%28.4%。对对A=200的原子核，的原子核，中子最大能量损失不超过中子最大能量损失不超过 22%22%。因此，在中子慢化时，用低原子序数物质比用重元素作因此，在中子慢化时，用低原子序数物质比用重元素作慢化剂更有效慢化剂更有效。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护 中子与核发生弹性碰撞以后，受撞的靶核得到能量中子与核发生弹性碰撞以后，受撞的靶核得到能量并从与中子入射方向成并从与中子入射方向成角方向反冲，同样反冲核的能量角方向反冲，同样反冲核的能量E也可根据能量和动量守恒原理计算得到，即也可根据能量和动量守恒原理计算得到，即（2-24）核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护2非弹性散射非弹性散射 中子能量大于中子能量大于 0.5 MeV时，还可能与靶核发生非弹时，还可能与靶核发生非弹性碰撞，这时中子动能的一部分转化为靶核的激发能，性碰撞，这时中子动能的一部分转化为靶核的激发能，使核处于激发态。激发态核可通过发射一个或几个使核处于激发态。激发态核可通过发射一个或几个光光子回到基态，子回到基态，这种发射通常是瞬时发射，但也可能发生这种发射通常是瞬时发射，但也可能发生同质异能跃迁，即经延迟后再发射。同质异能跃迁，即经延迟后再发射。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护3辐射俘获辐射俘获 靶核吸收一个中子，形成一个激发的靶核吸收一个中子，形成一个激发的“复合核复合核”。当。当“复合核复合核”跃迁到基态时，发射一个或几个跃迁到基态时，发射一个或几个光子。光子。由于这种由于这种“复合核复合核”内多了一个中子，所以它们经常内多了一个中子，所以它们经常是是辐射体。辐射俘获多发生在低能、重核上，轻核的几率辐射体。辐射俘获多发生在低能、重核上，轻核的几率较小。当中子能量等于靶核的某一能级能量时，中子特别较小。当中子能量等于靶核的某一能级能量时，中子特别容易被吸收，这个过程称为共振俘获。一般共振俘获中子容易被吸收，这个过程称为共振俘获。一般共振俘获中子能量在能量在0.1100eV，个别的可高达，个别的可高达1000 eV。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护4带电粒子的发射带电粒子的发射 这个过程是指原子核吸收中子而发射出带电粒子的这个过程是指原子核吸收中子而发射出带电粒子的核反应，如核反应，如吸收中子发射出质子，即（吸收中子发射出质子，即（n，P）反应，此外还有（）反应，此外还有（n，）反应，如）反应，如 在一般情况下，中子引起带电粒子发射的核反应截面在一般情况下，中子引起带电粒子发射的核反应截面比较小，而且存在一定阈能。比较小，而且存在一定阈能。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护5裂变裂变 原于核分裂为两个或多个（多个的几率很小）核裂块原于核分裂为两个或多个（多个的几率很小）核裂块的，称为原子核裂变。裂变有自发和感生两种。前者是重的，称为原子核裂变。裂变有自发和感生两种。前者是重核不稳定性的一种表现，其裂变半衰期一般很长，后者指核不稳定性的一种表现，其裂变半衰期一般很长，后者指原子核在受到轰击时，立即发生的裂变。原子核在受到轰击时，立即发生的裂变。中子与物质相互作用，除上述几种主要类型外高能中子与物质相互作用，除上述几种主要类型外高能中子被原子核吸收还可能产生（中子被原子核吸收还可能产生（n，2n）、（）、（n，3n）等反）等反应。这时，核发射一个中子后，仍处于激发态，还可发射应。这时，核发射一个中子后，仍处于激发态，还可发射一个或几个中子。一个或几个中子。核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护PR核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护放射性核素的速度方向是杂乱的，放射性核素的速度方向是杂乱的，使得发射谱与吸收谱的重叠不多使得发射谱与吸收谱的重叠不多核技术应用与辐射防护核技术应用与辐射防护E2E1E0核核PR核核PR实验条件控制严格，实现不容易。实验条件控制严格，实现不容易。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢