第四章射线与物质的相互作用优秀课件.ppt

第四章射线与物质的相互作用第1页，本讲稿共80页第一节第一节 引言引言射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描述为一个碰撞过程。分为射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描述为一个碰撞过程。分为:弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等。弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等。非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等。非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等。射线与物质的相互作用主要分为四类：射线与物质的相互作用主要分为四类：射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞 射线与作用物质核外电子的弹性碰撞射线与作用物质核外电子的弹性碰撞 射线与作用物质原子核的非弹性碰撞射线与作用物质原子核的非弹性碰撞 射线与作用物质原子核的弹性碰撞射线与作用物质原子核的弹性碰撞 第2页，本讲稿共80页3射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：1.1.射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：引起作用物质原子的电离、激发引起作用物质原子的电离、激发 电离：电离：入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核外电子获得入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核外电子获得能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物质的原子就变成了一个能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物质的原子就变成了一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分离成了一个自由电子和一个正离子。失去电子的正离子，即靶物质中的原子分离成了一个自由电子和一个正离子。如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核继续发生碰撞电如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核继续发生碰撞电离。离。第3页，本讲稿共80页4射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：1.射线与核外电子的非弹性碰撞：射线与核外电子的非弹性碰撞：电离：电离：原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。如果原子的内壳层电子如果原子的内壳层电子(像像K层、层、L层电子层电子)被电离，便会在该壳层上留下被电离，便会在该壳层上留下空穴，外层高能级的电子就要向内层的空穴跃迁，多余的能量就会以特空穴，外层高能级的电子就要向内层的空穴跃迁，多余的能量就会以特征征x射线或者俄歇电子的形式发射出来。射线或者俄歇电子的形式发射出来。第4页，本讲稿共80页5射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：1.射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：引起作用物质原子的电离、激发引起作用物质原子的电离、激发 激发激发:如果入射粒子传递给靶原子核外电子的能量还比较小，不足以使其电离，但仍然如果入射粒子传递给靶原子核外电子的能量还比较小，不足以使其电离，但仍然可以使其从低能级状态向高能级状态跃迁，其结果使靶原子处于激发状态。可以使其从低能级状态向高能级状态跃迁，其结果使靶原子处于激发状态。处于激发状态的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放处于激发状态的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放出来的能量以光的形式发射出来的能量以光的形式发射(这就是受激原子的发光这就是受激原子的发光)。这与原子核处于激发。这与原子核处于激发态，退激时发出态，退激时发出 射线的本质不同。射线的本质不同。第5页，本讲稿共80页6射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：1.射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：电离、电离、激发激发电离损失电离损失入入射射粒粒子子与与核核外外电电子子发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞，导导致致靶靶物物质质中中的的原原子子电电离离和和激激发发，是是射射线线穿穿过过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失。有时也称之为物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失。有时也称之为非弹性碰撞能量损失。非弹性碰撞能量损失。第6页，本讲稿共80页7射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：2.2.射线与作用物质核外电子的弹性碰撞：射线与作用物质核外电子的弹性碰撞：入射粒子被入射粒子被散射散射l当当入入射射粒粒子子的的能能量量较较低低时时，入入射射粒粒子子与与靶靶原原子子的的核核外外电电子子发发生生弹弹性性碰碰撞撞。此此时时，入入射射粒粒子子改改变变其其运运动动方方向向，核核外外电电子子的的能能量量状状态态没没有有什什么么变变化化。通常把这种现象称之为散射。通常把这种现象称之为散射。第7页，本讲稿共80页8射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：3.3.射线与作用物质原子核的非弹性碰撞：射线与作用物质原子核的非弹性碰撞：产生产生轫致辐射轫致辐射l入射粒子靠近靶物质的原子核时，受到靶原子核库伦力的吸引或者排斥，入射粒子靠近靶物质的原子核时，受到靶原子核库伦力的吸引或者排斥，入射粒子运动的速度和方向会发生改变。随着入射粒子能量的减弱，有入射粒子运动的速度和方向会发生改变。随着入射粒子能量的减弱，有一部分动能转化成能量连续的电磁辐射一部分动能转化成能量连续的电磁辐射称之为称之为轫致辐射。轫致辐射。第8页，本讲稿共80页9射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：4.4.射线与原子核的弹性碰撞：射线与原子核的弹性碰撞：入射粒子被靶物质吸收入射粒子被靶物质吸收l入射粒子靠近靶物质的原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后入射粒入射粒子靠近靶物质的原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使核激发，而是子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使核激发，而是传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒子可在靶物质中继续传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒子可在靶物质中继续进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中，称之为吸收。中，称之为吸收。第9页，本讲稿共80页10第二节第二节 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子：指其质量比电子质量大得多的荷电粒子重带电粒子：指其质量比电子质量大得多的荷电粒子(像像粒子、质子、氘核粒子、质子、氘核等等)。重带电粒子主要与物质中靶原子的核外电子发生非弹性碰撞重带电粒子主要与物质中靶原子的核外电子发生非弹性碰撞(使靶原子发生电离或使靶原子发生电离或激发激发)；它与靶原子核发生弹性碰撞的几率很小。；它与靶原子核发生弹性碰撞的几率很小。快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生非弹快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，才需要考虑性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，才需要考虑由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。重带电粒子与物质发生碰撞后，入射粒子的运动方向几乎保持不变。重的带重带电粒子与物质发生碰撞后，入射粒子的运动方向几乎保持不变。重的带电粒子在物质中的运动径迹近似直线。电粒子在物质中的运动径迹近似直线。第10页，本讲稿共80页11第二节第二节 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子的能量损失：重带电粒子的能量损失：入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。此时，可快速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。此时，可以把核外电子看成是靶物质中的一个以把核外电子看成是靶物质中的一个“自由电子自由电子”。这样，入射带电粒子与靶物质核外电子之间的作用可以看成是弹性碰撞。这样，入射带电粒子与靶物质核外电子之间的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原子中作轨道运动的电子，在碰撞和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原子中作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于前看成是处于“静止静止”状态。状态。在这种近似下，就可以用经典的库仑弹性碰撞理论来讨论带电粒子在物质中的在这种近似下，就可以用经典的库仑弹性碰撞理论来讨论带电粒子在物质中的能量损失能量损失。第11页，本讲稿共80页121).能量损失率与入射粒子质量无能量损失率与入射粒子质量无 关，只与它的速度有关。关，只与它的速度有关。2).能量损失率与入射粒子的电荷数平方成正比。能量损失率与入射粒子的电荷数平方成正比。3).能量损失率与靶物质的能量损失率与靶物质的NZ成正比。密度越大，原子序数越高的物成正比。密度越大，原子序数越高的物 质，对质，对入射粒子的阻止本领越大。入射粒子的阻止本领越大。l重带电粒子的能量损失：重带电粒子的能量损失：入射的带电粒子在靶物质中经过单位长度的路程时平均能量损失率入射的带电粒子在靶物质中经过单位长度的路程时平均能量损失率(MeV/cm)，又称之为靶物质对入射粒子的阻止本领。，又称之为靶物质对入射粒子的阻止本领。第12页，本讲稿共80页13在中能区（在中能区（0.2MeV20MeV），入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的），入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的增加而减小；在低于增加而减小；在低于500I的能量处，曲线有一最大值；在高能区（的能量处，曲线有一最大值；在高能区（20MeV,入射粒子的速度接近于光速入射粒子的速度接近于光速c），电离能量损失率随入射粒子能量的增加而缓），电离能量损失率随入射粒子能量的增加而缓慢上升，在小于慢上升，在小于3mc2附近的能量处有一宽的极小值。附近的能量处有一宽的极小值。粒子在空气中的电离损失与动能的关系粒子在空气中的电离损失与动能的关系 l重带电粒子的能量损失：重带电粒子的能量损失：第13页，本讲稿共80页14l 入射粒子在靶物质中的射程入射粒子在靶物质中的射程 带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质中。带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质中。入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点(速度等于速度等于0)之间的直线距离，之间的直线距离，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影，称称之为入射粒子在该物质中的射程，以之为入射粒子在该物质中的射程，以R表示。表示。路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。路程大于或者路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。路程大于或者等于射程。等于射程。第14页，本讲稿共80页15l入射粒子在靶物质中的射程入射粒子在靶物质中的射程(理论计算公式理论计算公式)入射粒子在吸收物质中的射程入射粒子在吸收物质中的射程R与其质量与其质量m及能量及能量E有关。入射粒子质量越小，有关。入射粒子质量越小，能量约大，速度越大，射程越长能量约大，速度越大，射程越长射程射程R和吸收物质的电子密度和吸收物质的电子密度NZ成反比成反比。第15页，本讲稿共80页16经验公式经验公式：粒子在空气中的射程：粒子在空气中的射程：质子在空气中的射程：质子在空气中的射程：重带电粒子在其它物质中的射程：重带电粒子在其它物质中的射程：粒子在某物质中的射程为：粒子在某物质中的射程为：如果吸收物质为化合物或混合物，如果吸收物质为化合物或混合物，2MeVEP.辐射能量损失率与入射粒子质量平方成反比。质子和辐射能量损失率与入射粒子质量平方成反比。质子和粒子的粒子的质量要比质量要比 电子的质量大的多，在能量相同的情况下，质子或电子的质量大的多，在能量相同的情况下，质子或 粒子的轫致辐射强度比电子小粒子的轫致辐射强度比电子小106倍。对重的带电粒子，轫致辐倍。对重的带电粒子，轫致辐射引起的能量损失完全可以忽略不计。射引起的能量损失完全可以忽略不计。2.辐射能量损失率与吸收物质辐射能量损失率与吸收物质Z平方成正比。平方成正比。电子打到重元素中电子打到重元素中时，容易发生轫致辐射。时，容易发生轫致辐射。3.辐射能量损失率与入射粒子的能量辐射能量损失率与入射粒子的能量E成正比成正比(这一点与电离能量这一点与电离能量损失的情况不同损失的情况不同)，入射电子能量低时，电离损失占优势；当能，入射电子能量低时，电离损失占优势；当能量高时，辐射损失就变得重要了。量高时，辐射损失就变得重要了。第27页，本讲稿共80页28n高能电子与物质的相互作用高能电子与物质的相互作用从电离损失的角度看，应该使用从电离损失的角度看，应该使用Z大的材料来防护大的材料来防护电子，但高电子，但高Z的材料的材料会产生很强的轫致辐射，反而起不到防护的作用。会产生很强的轫致辐射，反而起不到防护的作用。(比如，对比如，对2MeV的的电子，它的辐射损失占总的能量损失的比例，在有机玻璃中只占电子，它的辐射损失占总的能量损失的比例，在有机玻璃中只占0.7，而在铅中要占而在铅中要占8。)所以应该采用低所以应该采用低Z的材料来防护的材料来防护电子。电子。轫致辐射也是连续谱：在轫致辐射过程中，入射电子的动量由靶原子核、光子轫致辐射也是连续谱：在轫致辐射过程中，入射电子的动量由靶原子核、光子和被偏转的电子三者之间分配，光子可以具有任何的动量值，其能量是连续的。和被偏转的电子三者之间分配，光子可以具有任何的动量值，其能量是连续的。第28页，本讲稿共80页这种辐射属于一种低能、不对称的、连续的光子谱分这种辐射属于一种低能、不对称的、连续的光子谱分布。可以用布。可以用NaI(Tl)、HPGe等等 谱仪进行测量。谱仪进行测量。利用轫致辐射可以直接测量放射性废液中利用轫致辐射可以直接测量放射性废液中90Sr等高能等高能 发发射体的放射性活度。这种方法的优点：（射体的放射性活度。这种方法的优点：（1）方法简便，）方法简便，直接应用水溶液测量，无需专门制样；（直接应用水溶液测量，无需专门制样；（2）测量后的）测量后的溶液可以回收。正由于这些优点，对于放射性强度很溶液可以回收。正由于这些优点，对于放射性强度很大的样品，可以避免化学分离造成的辐射安全，减少大的样品，可以避免化学分离造成的辐射安全，减少技术人员的劳动强度，大大节省时间。技术人员的劳动强度，大大节省时间。第29页，本讲稿共80页30n高能电子与物质的相互作用高能电子与物质的相互作用轫致辐射谱的分布是两头小中间大，其最大能量等于电子的能量，其强轫致辐射谱的分布是两头小中间大，其最大能量等于电子的能量，其强度的峰值约在电子能量一半的附近；度的峰值约在电子能量一半的附近；射线的轫致辐射谱是各能量轫致谱的叠加；强度最大处的能量约低于射线的轫致辐射谱是各能量轫致谱的叠加；强度最大处的能量约低于谱的平均能量。谱的平均能量。带电粒子通过靶物质时总的能量损失为电离损失和辐射损失之和：带电粒子通过靶物质时总的能量损失为电离损失和辐射损失之和：电离损失与辐射损失之比为：电离损失与辐射损失之比为：第30页，本讲稿共80页31 电子在几种物质中，以两种方式损失能量的比较电子在几种物质中，以两种方式损失能量的比较 第31页，本讲稿共80页32l电子与物质的相互作用：电子与物质的相互作用：带电粒子穿过物质时，发射电磁辐射的现象，除了轫致辐射之外，还有带电粒子穿过物质时，发射电磁辐射的现象，除了轫致辐射之外，还有另一种切伦科夫辐射。另一种切伦科夫辐射。切伦科夫辐射：高速带电粒子穿过物质切伦科夫辐射：高速带电粒子穿过物质(透明介质透明介质)时，引起径迹两旁时，引起径迹两旁的物质原子暂时极化。退极化时，会发射光子，称之为切伦科夫辐射。的物质原子暂时极化。退极化时，会发射光子，称之为切伦科夫辐射。切伦科夫辐射是一种连续光谱，波长从紫外区域延伸到峰值大约在切伦科夫辐射是一种连续光谱，波长从紫外区域延伸到峰值大约在420纳米的可见纳米的可见光部分，在红外或微波区域的光子发射量是可以忽略的。光部分，在红外或微波区域的光子发射量是可以忽略的。在某种透明介质中产生切伦科夫辐射的阈值条件是：在某种透明介质中产生切伦科夫辐射的阈值条件是：，是粒子运是粒子运动的相对速度，动的相对速度，n是介质的折射率是介质的折射率第32页，本讲稿共80页33l电子与物质的相互作用：电子与物质的相互作用：粒子能够产生切伦科夫辐射的阈能与介质折射率的关系是：粒子能够产生切伦科夫辐射的阈能与介质折射率的关系是：如果透明介质是水，能够产生切伦科夫辐射的阈能就是如果透明介质是水，能够产生切伦科夫辐射的阈能就是263keV。第33页，本讲稿共80页切连科夫过程产生的光子有着确定形状的连续谱分布，和计切连科夫过程产生的光子有着确定形状的连续谱分布，和计数测量有关的主要部分处在近紫外到蓝色的区域。数测量有关的主要部分处在近紫外到蓝色的区域。切科可夫计数法测量切科可夫计数法测量 放射性核素的主要优点是：（放射性核素的主要优点是：（1）直接）直接在水溶液中测量，不需要加入有机闪烁液，成本低，无毒性；在水溶液中测量，不需要加入有机闪烁液，成本低，无毒性；（2）制备测量样品简便；（）制备测量样品简便；（3）测量瓶中可充满待测溶液，）测量瓶中可充满待测溶液，有效灵敏度高；（有效灵敏度高；（4）测量后的溶液可以回收；（）测量后的溶液可以回收；（5）不需要）不需要专门的测量仪器，普通液闪装置即可。专门的测量仪器，普通液闪装置即可。第34页，本讲稿共80页如果入射的如果入射的电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量，这种过程叫做弹性散射。动方向，而不辐射能量，这种过程叫做弹性散射。与与粒子相比，电子质量很小，散射角度会很大，经过多次散射，粒子相比，电子质量很小，散射角度会很大，经过多次散射，最后会偏离原来的运动方向。最后会偏离原来的运动方向。入射电子的能量越低，靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。入射电子的能量越低，靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。当当Ee90度时，进入吸收物质表面的电子，能从表面散射回来，称之为反散度时，进入吸收物质表面的电子，能从表面散射回来，称之为反散射。射。反散射系数：反散射系数：第36页，本讲稿共80页37l电子与物质的相互作用：电子与物质的相互作用：低能低能 电子在高原子序数电子在高原子序数Z且厚靶物质上的反散射系数且厚靶物质上的反散射系数 可能高达可能高达50%以上。在以上。在 射线的测量中要使用低射线的测量中要使用低Z物质，减少反散射对测量的影响。物质，减少反散射对测量的影响。反散射系数反散射系数 随散射物质厚度的增加而增加，并达到一个饱和值。随散射物质厚度的增加而增加，并达到一个饱和值。饱和反散射厚度饱和反散射厚度(质量厚度质量厚度)的经验表达式为：的经验表达式为：反散射系数反散射系数 与反散射物质原子序数与反散射物质原子序数Z的关系的关系:反散射前后的能量关系为：反散射前后的能量关系为：第37页，本讲稿共80页第38页，本讲稿共80页39第四节第四节 正电子与物质的相互作用正电子与物质的相互作用正电子通过物质时，也像负电子一样，与靶物质的核外电子和原子核相互作用产正电子通过物质时，也像负电子一样，与靶物质的核外电子和原子核相互作用产生电离损失、辐射损失、发生弹性碰撞生电离损失、辐射损失、发生弹性碰撞(散射散射)。能量相等的正、负电子，在物质中的能量损失和射程大体相同。能量相等的正、负电子，在物质中的能量损失和射程大体相同。负电子在能量耗净时，就停留在物质中被吸收；负电子在能量耗净时，就停留在物质中被吸收；正电子的能量与周围物质达到热平衡时在径迹的末端，被靶物质负电子吸引而发正电子的能量与周围物质达到热平衡时在径迹的末端，被靶物质负电子吸引而发生湮灭，会放出生湮灭，会放出23个湮灭光子。个湮灭光子。第39页，本讲稿共80页40第四节第四节 正电子与物质的相互作用正电子与物质的相互作用发生湮灭时，正负电子总动量为发生湮灭时，正负电子总动量为0，所以湮灭光子总能量等于正负电子静止质量：，所以湮灭光子总能量等于正负电子静止质量：实验证明，正负电子湮灭时，发射实验证明，正负电子湮灭时，发射3个光子与发射个光子与发射2个光子的几率之比大约为个光子的几率之比大约为1:1000正电子寿命：正电子寿命：在气体中在气体中 107s；在固体中在固体中 1010s，在金属中在金属中 (1-3)1010s 第40页，本讲稿共80页41第五节第五节 射线在吸收物质中的射程射线在吸收物质中的射程 粒子在物质中的电离能量损失率比粒子在物质中的电离能量损失率比 小，它比小，它比 粒子有更大的射程。粒子有更大的射程。粒子质量很大，碰撞后运动方向几乎保持不变，粒子质量很大，碰撞后运动方向几乎保持不变，粒子在物质中的运动轨迹粒子在物质中的运动轨迹近似直线，射程与径迹长度近似直线，射程与径迹长度(即路程即路程)近似相等；近似相等；电子的质量很小，在吸收物质中的径迹非常曲折。电子的质量很小，在吸收物质中的径迹非常曲折。电子在物质中的路程远大于电子在物质中的路程远大于射程射程(1.2 1.4倍倍)。电子入射到靶物质后，其能量损失的统计涨落较大，又经过多次散射，射程电子入射到靶物质后，其能量损失的统计涨落较大，又经过多次散射，射程的不确定性大大增加，射程的歧离可达的不确定性大大增加，射程的歧离可达1015。射线或者单能电子穿过一定厚度的吸收物质时，其强度减弱的现象叫做吸收。射线或者单能电子穿过一定厚度的吸收物质时，其强度减弱的现象叫做吸收。第41页，本讲稿共80页42第五节第五节 射线在吸收物质中的射程射线在吸收物质中的射程 l单能电子在物质中的吸收曲线：通过加吸收片的办法测量进行。单能电子在物质中的吸收曲线：通过加吸收片的办法测量进行。l单能电子的吸收随吸收物质厚度近似线性的变化，把吸收曲线的线性部分外推到单能电子的吸收随吸收物质厚度近似线性的变化，把吸收曲线的线性部分外推到0，定出，定出电子的射程，叫外推射程电子的射程，叫外推射程R。l当电子束的强度降低到原来强度的当电子束的强度降低到原来强度的1/2时，吸收片的厚度叫它的平均射程。时，吸收片的厚度叫它的平均射程。第42页，本讲稿共80页43 第五节第五节 射线在吸收物质中的射程射线在吸收物质中的射程粒子能量是连续分布的，其吸收曲线与单能电子的吸收曲线明显不同，近似为指数曲线。粒子能量是连续分布的，其吸收曲线与单能电子的吸收曲线明显不同，近似为指数曲线。能谱中，用最大能量能谱中，用最大能量E max的电子所对应的射程表示的电子所对应的射程表示 射线的射程，叫做射线的射程，叫做射线的最大射射线的最大射程程R。射线在空气中的射程很长，不便测量，通常用铝吸收片测定其吸收曲线。射线在空气中的射程很长，不便测量，通常用铝吸收片测定其吸收曲线。第43页，本讲稿共80页44 第五节第五节 射线在吸收物质中的射程射线在吸收物质中的射程实验表明，对于不同的物质，质量吸收系数随原子序数的增加而缓慢的增加。实验表明，对于不同的物质，质量吸收系数随原子序数的增加而缓慢的增加。对于同一种物质铝，质量吸收与对于同一种物质铝，质量吸收与 射线的最大能量之间有如下的经验关系：射线的最大能量之间有如下的经验关系：该公式适用的能量范围为该公式适用的能量范围为如果采用质量吸收系数和质量厚度来表示，则有：如果采用质量吸收系数和质量厚度来表示，则有：第44页，本讲稿共80页45 第五节第五节 射线在吸收物质中的射线在吸收物质中的使射线的强度减弱一半的吸收厚度叫半吸收厚度，使射线的强度减弱一半的吸收厚度叫半吸收厚度，它和质量吸收系数的关系为：它和质量吸收系数的关系为：射线的最大射线的最大射程与能量的经验公式为：射程与能量的经验公式为：第45页，本讲稿共80页46第六节第六节 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与带电粒子射线与物质的相互作用与带电粒子(包括电子包括电子)与物质的相互作用显著不同。与物质的相互作用显著不同。光子不带电，它不能像带电粒子那样直接与靶物质原子的核外电子发生库仑碰撞而使光子不带电，它不能像带电粒子那样直接与靶物质原子的核外电子发生库仑碰撞而使之电离或激发，也不能与靶物质原子核发生碰撞导致散射或辐射损失。之电离或激发，也不能与靶物质原子核发生碰撞导致散射或辐射损失。第46页，本讲稿共80页 辐射与物质的相互作用和辐射与物质的相互作用和、辐射有很大的差别。带电粒子在多次单辐射有很大的差别。带电粒子在多次单个事件中把能量传给原子壳层电子，而个事件中把能量传给原子壳层电子，而 辐射在一次事件中就全部给出或大部辐射在一次事件中就全部给出或大部分的能量。它的作用很弱，穿透力很强。分的能量。它的作用很弱，穿透力很强。粒子：一张厚度为粒子：一张厚度为8.0mg/cm8.0mg/cm2 2的薄纸完全吸收；的薄纸完全吸收；粒子：一本厚粒子：一本厚450mg/cm450mg/cm2 2的薄书完全吸收；的薄书完全吸收；射线：一套射线：一套2424册的百科全书，厚度册的百科全书，厚度220g/cm220g/cm2 2，降为起始的，降为起始的1010-6-6。在在E 30MeV时，时，射线与物质的相互作用主要有以下三种方式：射线与物质的相互作用主要有以下三种方式：光电效应、康普顿散射和电子对效应。光电效应、康普顿散射和电子对效应。第47页，本讲稿共80页48第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 射线与物质发生这三种相互作用时，都具有一定的概率，通常用截面来射线与物质发生这三种相互作用时，都具有一定的概率，通常用截面来表示作用概率的大小。表示作用概率的大小。截面的单位为巴：截面的单位为巴：1b=101b=10-24-24cmcm2 2；总截面总截面就等于三种效应截面之和，即就等于三种效应截面之和，即第48页，本讲稿共80页49第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l光电效应：光电效应：入射光子打在靶物质的原子上，将光子能量全部地转移给靶原子。靶原子将入射光子打在靶物质的原子上，将光子能量全部地转移给靶原子。靶原子将其中一部分交给某一壳层电子，使其脱离原子核的束缚而飞出来，成为自由其中一部分交给某一壳层电子，使其脱离原子核的束缚而飞出来，成为自由电子电子光电子光电子；剩余的原子受到反冲。；剩余的原子受到反冲。靶物质的原子吸收了入射光子的全部能量之后，所需要的电离能即为电子在靶物质的原子吸收了入射光子的全部能量之后，所需要的电离能即为电子在原子中的结合能。另一部分能量就变成了光电子的动能。原子中的结合能。另一部分能量就变成了光电子的动能。光电子的能量就是入射光子的能量和该壳层电子的结合能之差。光电子的能量就是入射光子的能量和该壳层电子的结合能之差。第49页，本讲稿共80页50第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l光电效应：光电效应：光电效应只能在束缚电子光电效应只能在束缚电子(壳层电子壳层电子)上发生。壳层电子在原子中束缚的越紧，产生光上发生。壳层电子在原子中束缚的越紧，产生光电效应的概率就越大。电效应的概率就越大。光电效应发生的必要条件是入射光子的能量要大于壳层电子的结合能。入射光子的能量超光电效应发生的必要条件是入射光子的能量要大于壳层电子的结合能。入射光子的能量超过过K K层电子的结合能，大约有层电子的结合能，大约有8080的光电效应发生在的光电效应发生在K K壳层电子上。壳层电子上。光电效应打出壳层电子，必然在该壳层上留下空穴，随之而来会有特征光电效应打出壳层电子，必然在该壳层上留下空穴，随之而来会有特征x x射线或射线或俄歇电子发射出来。俄歇电子发射出来。通常放射性同位素放出的通常放射性同位素放出的 射线能量要比电子的结合能大的多。可以近似的认为射线能量要比电子的结合能大的多。可以近似的认为光电子的动能就等于光电子的动能就等于 射线的能量。射线的能量。第50页，本讲稿共80页第四章第四章 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六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应：光电效应：光电效应与入射光子能量之间的关系光电效应与入射光子能量之间的关系入射光子的能量很高时，相对来说电子的束缚程度就低，光电效应的截面就入射光子的能量很高时，相对来说电子的束缚程度就低，光电效应的截面就小。小。随着入射光子能量的减小，光电效应的截面随着入射光子能量的减小，光电效应的截面 phph就增大。就增大。入射入射 射线的能量与射线的能量与K K层电子的结合能相当时，反应截面达到峰值。层电子的结合能相当时，反应截面达到峰值。当入射当入射 射线的能量略小射线的能量略小K K层电子的结合能时，光电效应在层电子的结合能时，光电效应在K K层上不能发生。层上不能发生。越到外层的轨道电子，受原子核的束缚越小，发生光电效应的概率就越小。越到外层的轨道电子，受原子核的束缚越小，发生光电效应的概率就越小。第51页，本讲稿共80页第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应：光电效应：当当当当 时时时时,光电效应主要发生在光电效应主要发生在光电效应主要发生在光电效应主要发生在k k k k壳层上壳层上壳层上壳层上,它所占的比例约它所占的比例约它所占的比例约它所占的比例约80%.80%.80%.80%.光电效应的截面与靶物质原子序数之间的关系光电效应的截面与靶物质原子序数之间的关系Z越大的物质，壳层电子受原子核的束缚就越大，越容易发生光电效应越大的物质，壳层电子受原子核的束缚就越大，越容易发生光电效应 较高时，只有在重元素中光电效应才比较显著；较高时，只有在重元素中光电效应才比较显著；轻元素，只有轻元素，只有 较低时，光电效应才比较明显。较低时，光电效应才比较明显。第52页，本讲稿共80页第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应：光电效应：光电子的角分布光电子的角分布：相对于相对于 光子的入射方向而言，在不同的角度，光电子的产额不一样的。光子的入射方向而言，在不同的角度，光电子的产额不一样的。在在0 0度方向和度方向和180180度方向上，都没有光电子发射出来。而在其它的某一角度，度方向上，都没有光电子发射出来。而在其它的某一角度，光电子出现的几率最大。光电子出现的几率最大。当当 很低时很低时(20keV)(20keV)(20keV)时，角分布的总趋势是向时，角分布的总趋势是向 光子的入射方向靠光子的入射方向靠拢。拢。第53页，本讲稿共80页光电子的角分布第54页，本讲稿共80页55第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l康普顿散射康普顿散射:入射入射 光子与靶原子核外电子之间的非弹性碰撞产生光子与靶原子核外电子之间的非弹性碰撞产生康普顿散射康普顿散射。入射光。入射光子把一部分能量转移给核外的轨道电子，使其脱离原子核的束缚而成为子把一部分能量转移给核外的轨道电子，使其脱离原子核的束缚而成为反冲电子。入射光子的运动方向发生改变，能量减少反冲电子。入射光子的运动方向发生改变，能量减少被散射被散射。光电效应中，光子本身消失，把能量完全交给了光电子：光电效应中，光子本身消失，把能量完全交给了光电子：康普顿效应中，光子改变运动方向，只损失掉一部分能量。康普顿效应中，光子改变运动方向，只损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上：康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上：康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上电子上。第55页，本讲稿共80页56第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l康普顿散射康普顿散射:光子与束缚电子之间的康普顿散射，严格的讲是一种非弹性碰撞过程。但外层电光子与束缚电子之间的康普顿散射，严格的讲是一种非弹性碰撞过程。但外层电子的结合能很小，一般在子的结合能很小，一般在eV的数量级，与入射光子的能量相比完全可以忽略；的数量级，与入射光子的能量相比完全可以忽略；可以把外层电子看成是可以把外层电子看成是“自由电子自由电子”，可以把康普顿效应看成是，可以把康普顿效应看成是 光子与处于光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。用相对论的能量、动量守恒定律，推导出散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。用相对论的能量、动量守恒定律，推导出散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。第56页，本讲稿共80页第四章第四章 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六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l康普顿散射康普顿散射:散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系：散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系：为散射角为散射角 为反冲角为反冲角第57页，本讲稿共80页第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l 康普顿散射康普顿散射:散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系：散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系：u当散射角等于当散射角等于0 0度时，散射光子的能量就等于入射光子的能量；散射光子的能度时，散射光子的能量就等于入射光子的能量；散射光子的能量达到最大值。此时，反冲电子的能量等于量达到最大值。此时，反冲电子的能量等于0 0。入射光子从电子旁边掠过，未。入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子没有损失能量。受到散射，光子没有损失能量。u当散射角度等于当散射角度等于180180度时，入射光子与电子对心碰撞，并且沿完全相度时，入射光子与电子对心碰撞，并且沿完全相反的方向散射回来。反冲电子则沿入射光子的方向飞出，叫反散射。反的方向散射回来。反冲电子则沿入射光子的方向飞出，叫反散射。此时，散射光子能量最小，反冲电子能量最大。此时，散射光子能量最小，反冲电子能量最大。第58页，本讲稿共80页第二章第二章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用康普顿散射康普顿散射:散射截面与入射光子能量的关系：散射截面与入射光子能量的关系：康普顿散射截面是对电子而言，整个原子的康普顿散射截面是原康普顿散射截面是对电子而言，整个原子的康普顿散射截面是原子中各个电子康普顿散射截面的线性相加。子中各个电子康普顿散射截面的线性相加。当入射光子能量很低时当入射光子能量很低时 散射截面与入射光子的能量无关，仅与吸收物质的原子序数散射截面与入射光子的能量无关，仅与吸收物质的原子序数Z Z成正成正比。比。当入射光子能量较高时当入射光子能量较高时第59页，本讲稿共80页第六节第六节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用康普顿散射康普顿散射:散射截面不仅与吸收物质的原子序数散射截面不仅与吸收物质的原子序数Z Z成正比，还近似地与入射光子的成正比，还近似地与入射光子的能量成反比。随着入射光子能量的增加，康普顿散射截面下降，下降速能量成反比。随着入射光子能量的增加，康普顿散射截面下降，下降速度比光电截面下降速度慢。度比光电截面下降速度慢。散射光子可以向各个方向散射，入射光子的能量越高，散射光子越是朝前散射。散射光子可以向各个方向散射，入射光子的能量越高，散射光子越是朝前散射。对应于不同方向的散射光子，反冲电子的能量也不同。对应于不同方向的散射光子，反冲电子的能量也不同。反冲电子只能在反冲电子只能在901.02MeV时才能发生电子对效应。时才能发生电子对效应。入射光子的能量一小部分转变为正负电子对的静止质量，其余的作为电子对的动能。入射光子的能量一小部分转变为正负电子对的静止质量，其余的作为电子对的动能。靶原子核也参与电子对效应的过程发生反冲，但反冲能很小，可以忽略不计。靶原子核也参与电子对效应的过程发生反冲，但反冲能很小，可以忽略不计。电子对效应在电子的库仑场中也能发生。此时的入射光子能量至少是电子对效应在电子的库仑场中也能发生。此时的入射光子能量至少是4m0c2