射线与物质的相互作用 (2)精选PPT.ppt

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1、关于射线与物质的相互作用(2)第1页，讲稿共99张，创作于星期日 泛指泛指核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种粒子粒子，包括，包括、3He、p、d、T、X、n、重离子和裂片等。、重离子和裂片等。p 射线（核辐射）：射线（核辐射）：核辐射粒子的基本性质核辐射粒子的基本性质核辐射粒子的基本性质核辐射粒子的基本性质1.008665 0 n中中 子子1.007276+1 p质质 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279+2 4He 质质 量量 (u)电荷电荷（e)符号符号种类种类可见：射线的本质就是核辐射粒子可见：

2、射线的本质就是核辐射粒子第2页，讲稿共99张，创作于星期日 物质的构成可由单质、化合物或混合物构成（包括人体）；物质的构成可由单质、化合物或混合物构成（包括人体）；物质的状态可以是气体、液体和固体状态。物质的状态可以是气体、液体和固体状态。p 物质：物质：载能的粒子能的粒子对物物质:1 有没有作用有没有作用 2 具体的作用机制是什么具体的作用机制是什么 3 有什么有什么样的的规律律 4 产生什么生什么样的的结果果p 射线与物质的基本作用：射线与物质的基本作用：微微观粒子粒子间碰撞有碰撞有动量和能量量和能量的的传递：库仑作用作用 1 电离作用离作用 2 电离效离效应第3页，讲稿共99张，创作于星

3、期日 1、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引起射线能、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引起射线能量损失、角度偏转和强度衰减，以及造成物质的辐射损伤等，这些物量损失、角度偏转和强度衰减，以及造成物质的辐射损伤等，这些物理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与物质相互作用的了理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与物质相互作用的了解程度；解程度；研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体物理研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许多领域、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许多领域中有着重

4、要的意义。例如：中有着重要的意义。例如：研究射线与物质相互作用的意义：研究射线与物质相互作用的意义：射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另一方面射线损射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。2、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实验，、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实验，能提供有关原子和原子核结构方面的知识；能提供有关原子和原子核结构方面的知识；第4页，讲稿共99张，创作于星期日 3、根据射线与物质相互作用的机制、特点，设计和制造各种核、根据射线与物

5、质相互作用的机制、特点，设计和制造各种核辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理实验研究工作，如射线能辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理实验研究工作，如射线能量的测量、强度测量和各种核参数测量，以及用来寻找放射性矿藏和量的测量、强度测量和各种核参数测量，以及用来寻找放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测等；各种环境中的放射性水平监测等；4、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地进行核、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地进行核辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防护层的合适的辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防护层的合适的材料和厚度来阻止一定能

6、量的某种射线的穿透；材料和厚度来阻止一定能量的某种射线的穿透；5、根据射线与物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、工业、农、根据射线与物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、工业、农业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在材料元素成分分析、业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在材料元素成分分析、固体表面层特性分析、离子注入半导体材料分析、晶格结构和辐射损伤研固体表面层特性分析、离子注入半导体材料分析、晶格结构和辐射损伤研究等方面的应用；工业上的射线探伤和测厚，材料和农作物、生物样品的究等方面的应用；工业上的射线探伤和测厚，材料和农作物、生物样品的辐射处理，以及肿瘤疾病的诊断

7、和治疗等。辐射处理，以及肿瘤疾病的诊断和治疗等。第5页，讲稿共99张，创作于星期日 可见，深入了解射线与物质的相互作用机制及射线穿过物质时发生的有关可见，深入了解射线与物质的相互作用机制及射线穿过物质时发生的有关现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材料对射线的阻止作用，以及现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材料对射线的阻止作用，以及对分析核物理实验测量结果，都是非常有用的。对分析核物理实验测量结果，都是非常有用的。射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和熟练掌射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和熟练掌握的基础知识。握的基础知识。本课程讨论对象为本课程讨论对

8、象为致电离辐射致电离辐射，辐射能量，辐射能量大于大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。即可使探测介质的原子发生电离的能量。第6页，讲稿共99张，创作于星期日4.1 概述概述4.2 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用4.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.5 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减4.6 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用第7页，讲稿共99张，创作于星期日*第第4.1节节 概述概述第8页，讲稿共99张，创作于星期日 致电离辐射：辐射能量大于10eV量级的射线。一、一、射线与物质相互作用射线与物质相互

9、作用（致电离辐射）（致电离辐射）的分类的分类第9页，讲稿共99张，创作于星期日二、弹性碰撞与非弹性碰撞二、弹性碰撞与非弹性碰撞（式中：（式中：为内能项为内能项）弹性碰撞弹性碰撞（即动能守恒）（即动能守恒）非弹性碰撞非弹性碰撞（即动能不守恒）（即动能不守恒）称为称为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态原子，如入射粒子与处于基态原子碰撞，且使原子被激发；碰撞，且使原子被激发；称为称为第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的，如入射粒子与处于激发态的原子碰撞，且使其退激。原子碰撞，且使其退激。带电带电粒子通过粒子通过库仑力库仑力与物质发生相互作用。与物质发生相互作

10、用。相互作用过程中，满足能量守恒相互作用过程中，满足能量守恒：第10页，讲稿共99张，创作于星期日碰撞机制碰撞机制：与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。p 从微观上看：从微观上看：碰撞后碰撞后：入射粒子能量损失；入射粒子能量损失；或能量、方向改变后出射；或能量、方向改变后出射；或入射粒子消失，产生新粒子。或入射粒子消失，产生新粒子。p 从宏观上看：从宏观上看：不管作用机制如何，穿过物质的不管作用机制如何，穿过物质的射线强度比入射强度减小。射线强度比入射强度减小。第11页，讲稿共99张，创作于星期日三、三、带电粒子在靶物质中的慢化带电粒子在靶物质中的慢化

11、、射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相互作用。射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相互作用。、和重粒子是和重粒子是荷电粒子荷电粒子光子光子不带电不带电与靶物质与靶物质原子发生原子发生作用的机作用的机制不同制不同在靶物质中的能量损失在靶物质中的能量损失情况不同情况不同粒子被物质吸收规律也不粒子被物质吸收规律也不同同导致导致导致导致荷电粒子荷电粒子、和和重粒子的重粒子的质量差质量差异很大异很大它们在穿透靶它们在穿透靶物质时的行为物质时的行为也不同也不同导致导致有必要有必要考察考察带电粒子穿带电粒子穿透靶物质时透靶物质时的行为的行为第12页，讲稿共99张，创作于星期日 在入射带电粒子与

12、在入射带电粒子与电子电子的的一次碰撞一次碰撞中，中，电子能获得的最大电子能获得的最大能量能量：质子入射时：质子入射时：p 入射入射带电带电粒子粒子在靶物质中在靶物质中的的慢化慢化过程过程：具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子发生相互具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子发生相互作用。作用。这些相互作用是入射带电粒子所带这些相互作用是入射带电粒子所带电荷电荷与原子中与原子中核外电子核外电子、原子核原子核发发生的生的库仑相互作用库仑相互作用。这些相互作用这些相互作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损失引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损失，结果使入射带电粒子损失

13、动能和改变运动方向。入射带电粒子结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电粒子在相互作在相互作用过程中逐渐慢化用过程中逐渐慢化。当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原子核发当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原子核发生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。第13页，讲稿共99张，创作于星期日|载能入射带电粒子与靶物质原子相互作用的主要方式：载能入射带电粒子与靶物质原子相互作用的主要方式：p 作用对象：作用对象：原子（核外电子）；原子（核外电子）；原子核原子核p 作用方式：作用方式：载能带电粒子在靶物质中的载能带电粒子在靶物质中

14、的慢化过程慢化过程，可分为，可分为四种四种，其中前两，其中前两种是主要的：种是主要的：(1)电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程(2)辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的弹性碰撞(4)带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞第14页，讲稿共99张，创作于星期日（一）（一）（一）（一）电离损失电离损失电离损失电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程与核外电子的非弹性碰撞过程与核外电子的非弹性碰撞过程

15、与核外电子的非弹性碰撞过程 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作用库仑作用库仑作用库仑作用，使电子获，使电子获，使电子获，使电子获得能量而引起得能量而引起得能量而引起得能量而引起原子的原子的原子的原子的电离电离电离电离或或或或激发激发激发激发。p 电离过程：电离过程：如果传递给电子的能量足以使电子克如果传递给电子的能量足以使电子克服原子核的束缚，则电子将脱离原子，成服原子核的束缚，则电子将脱离原子，成为为自由电子自由电子。而原子因失去了一个电子，而成为而原子因失去了一个电子，而成为正离正离

16、子子。原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，最容易发生在最外层电子最容易发生在最外层电子。若发射出来的电子有足够的动能，可若发射出来的电子有足够的动能，可进一步使其它原子发生电离进一步使其它原子发生电离作用作用。这些高速电子被称为。这些高速电子被称为电子电子。内壳层电子被电离后，在该壳层留下空位，外层电子向内层跃迁，内壳层电子被电离后，在该壳层留下空位，外层电子向内层跃迁，同时放出特征同时放出特征X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。第15页，讲稿共99张，创作于星期日p 激发过程：激发过程：如果入射粒子如果入射粒子传递给电子的能量较少传递给电子的能量较少，不，不

17、足以使电子脱离原子核的吸引成为自由电子，足以使电子脱离原子核的吸引成为自由电子，但可以但可以使原子从低能态跃迁到相对高能级状使原子从低能态跃迁到相对高能级状态态，这种过程叫激发。，这种过程叫激发。处于高能态的原子是不稳定的，瞬间将处于高能态的原子是不稳定的，瞬间将由高能态跃迁回基态（退激）。退激时，以光由高能态跃迁回基态（退激）。退激时，以光的形式释放出多余能量。的形式释放出多余能量。带电粒子带电粒子与靶原子中与靶原子中核外电子的非弹性核外电子的非弹性碰撞碰撞，导致原子的，导致原子的电离或激发电离或激发，是带电粒子，是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式穿过物质时损失动能的主要方式把这种相把这

18、种相互作用方式互作用方式引起的能量损失引起的能量损失称为称为电离损失电离损失。第16页，讲稿共99张，创作于星期日 当当入射带电粒子入射带电粒子与靶原子中与靶原子中核外电子核外电子发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞，以使靶物质原子以使靶物质原子电离电离或或激发激发的方式而的方式而损失入射粒子的能量损失入射粒子的能量把这种相互作用方式把这种相互作用方式引起的能量损失引起的能量损失称为称为电离损失电离损失。载载能能入入射射带带电电粒粒子子靶物质（原子）靶物质（原子）第17页，讲稿共99张，创作于星期日（二）（二）（二）（二）辐射损失辐射损失辐射损失辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程

19、与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程核核库仑作用 入射带电粒子靠近靶物质的原子核入射带电粒子靠近靶物质的原子核时，它与时，它与原子核之间的库仑力作用原子核之间的库仑力作用，使入射粒子受到吸引或排斥，从而改使入射粒子受到吸引或排斥，从而改变入射粒子的变入射粒子的速度和运动方向速度和运动方向。当当入射带电粒子入射带电粒子与与原子核原子核发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞时，以时，以辐射光子辐射光子损失其损失其能量，我们称它为能量，我们称它为辐射损失辐射损失。入射粒子这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射入射粒子这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射轫致辐射轫致辐射(bremsstrahlun

20、g)。粒子质量大，与原子核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与原子核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小，运粒子质量小，运动状态改变大。因此，动状态改变大。因此，对对粒子粒子与物质相互作用时，与物质相互作用时，辐射损失是其重要辐射损失是其重要的一种能量损失方式的一种能量损失方式。第18页，讲稿共99张，创作于星期日（三）带电粒子与靶原子核的弹性碰撞（三）带电粒子与靶原子核的弹性碰撞（三）带电粒子与靶原子核的弹性碰撞（三）带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 带带电电粒粒子子与与靶靶原原子子核核的的库库仑仑场场作作用用而而发生发生弹性散射弹性散射。弹性碰撞过程中弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能

21、量和动量守恒，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，。碰撞后，绝大部分能量绝大部分能量仍由入射仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。粒子带走，但运动方向被偏转。核核库仑作用反冲反冲 弹弹性性散散射射过过程程中中，入入射射粒粒子子和和原原子子核核的的总总动动能能不不变变，即即入入射射粒粒子子既既不不辐辐射射光光子子，也也不不激激发发或或电电离离原原子子核核，但但入入射射粒粒子子受受到到偏偏转转，其其运动方向改变运动方向改变。第19页，讲稿共99张，创作于星期日 这种由入射带电粒子与靶原子核发生这种由入射带电粒子与靶

22、原子核发生弹性碰撞弹性碰撞引起引起入射粒子的能量损入射粒子的能量损失失称之为称之为核碰撞能量损失核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止核阻止。核碰撞能量损失核碰撞能量损失只是在入射带电粒子只是在入射带电粒子能量很低能量很低或或低速重离子低速重离子入射时，入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。要过程。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小，运动粒子质量小，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以

23、使晶体原子位移，形成缺状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以使晶体原子位移，形成缺陷，即造成陷，即造成物质辐射损伤物质辐射损伤。第20页，讲稿共99张，创作于星期日（四）带电粒子与核外电子的弹性碰撞（四）带电粒子与核外电子的弹性碰撞（四）带电粒子与核外电子的弹性碰撞（四）带电粒子与核外电子的弹性碰撞 受受核外电子核外电子的库仑力作用，入射粒子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转能量的转移很小移很小，比比原子中电子的原子中电子的最低激发能还小最低激发能还小，电子的

24、能量状态没有变化，在此过程中不电子的能量状态没有变化，在此过程中不发射辐射。发射辐射。这种相互作用方式只是在极低能量这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的的入射粒子才需要入射粒子才需要考虑考虑,其它情况下完全可以忽略掉。其它情况下完全可以忽略掉。原子原子库仑作用反冲反冲 实际上，与核外电子的弹性碰撞是实际上，与核外电子的弹性碰撞是入射粒子与整个靶原子的相互作用入射粒子与整个靶原子的相互作用。第21页，讲稿共99张，创作于星期日p 入射入射带电带电粒子粒子在靶物质中在靶物质中的的吸收吸收过程过程：如果靶物质厚度足够大，入射带电粒子与靶原子电子或靶原子如果靶物质厚度足够大，入射带电粒子与靶

25、原子电子或靶原子核经过多次弹性和非弹性碰撞，发生能量损失和角度偏转，快速运核经过多次弹性和非弹性碰撞，发生能量损失和角度偏转，快速运动的带电粒子被慢化，最后动的带电粒子被慢化，最后带电粒子的动能全部耗尽，停留在靶物质中。带电粒子的动能全部耗尽，停留在靶物质中。即入射带电粒子被物质吸收了即入射带电粒子被物质吸收了。对对MeV量级的量级的粒子和质子，整个慢化过程所用的时间为：毫粒子和质子，整个慢化过程所用的时间为：毫微秒（气体物质中）微秒（气体物质中）微微秒（固体物质中）。微微秒（固体物质中）。上述讨论中，只考虑了入射带电粒子与靶物质中单个原子的作用。上述讨论中，只考虑了入射带电粒子与靶物质中单个

26、原子的作用。实际上，带电粒子进入靶物质后，实际上，带电粒子进入靶物质后，会遭到许多原子的许多次这样的碰撞会遭到许多原子的许多次这样的碰撞作用作用。第22页，讲稿共99张，创作于星期日 带电粒子与物质发生各种相互作用方式的几率大小，对于不同种类的带带电粒子与物质发生各种相互作用方式的几率大小，对于不同种类的带电粒子和粒子的不同能量区域，情况完全不同。电粒子和粒子的不同能量区域，情况完全不同。同一种相互作用几率大小，与不同的靶物质元素也有关系。同一种相互作用几率大小，与不同的靶物质元素也有关系。这些相互作用中的各种作用方式对入射带电粒子的阻止作用的贡献大小这些相互作用中的各种作用方式对入射带电粒子

27、的阻止作用的贡献大小不同，在一定的情况下，可只考虑某一种起主要贡献的相互作用，而忽略其不同，在一定的情况下，可只考虑某一种起主要贡献的相互作用，而忽略其它的相互作用。它的相互作用。在讨论带电粒子与物质相互作用的时候，需要区分在讨论带电粒子与物质相互作用的时候，需要区分“轻轻”带电带电粒子（如：电子和正电子）和粒子（如：电子和正电子）和“重重”带电粒子（如：质子、氘核带电粒子（如：质子、氘核d、粒子等），以及区分快速和慢速粒子，来分别进行讨论。粒子等），以及区分快速和慢速粒子，来分别进行讨论。p 小结：小结：第23页，讲稿共99张，创作于星期日*第第4.2节节 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相

28、互作用第24页，讲稿共99张，创作于星期日p 重带电粒子重带电粒子(Heavy Charged Particles)：指质量比电子质量大得多的带电粒子。如指质量比电子质量大得多的带电粒子。如粒子、质子粒子、质子p、氘核、氘核d等。等。p 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：重带电粒子重带电粒子均为均为带正电荷带正电荷的的离子离子；重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过电离损失电离损失(与介质的核外电子的非弹性碰撞与介质的核外电子的非弹性碰撞)而损而损失能量，同时使介质原子失能量，同时使介质原子电离电离或或激发激发；重带电粒子在介质中的重带电粒子在介质中的运动径迹运动径

29、迹近似近似为为直线直线。本节将具体讨论本节将具体讨论粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用。第25页，讲稿共99张，创作于星期日一、一、粒子与物质相互作用的主要形式粒子与物质相互作用的主要形式 粒子是氦粒子是氦(4He)的原子核，带两个的原子核，带两个单位正电荷，质量数为单位正电荷，质量数为4。天然核素天然核素衰变放出的衰变放出的粒子能量在粒子能量在48MeV。初始速度约在。初始速度约在(12)109cm/s。粒子与物质相互作用的主要形粒子与物质相互作用的主要形式是式是电离电离与与激发激发。由于由于为重粒子，与物质散射为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹是作用不明显，在气体中的径迹

30、是直线。直线。第26页，讲稿共99张，创作于星期日二、二、粒子的射程粒子的射程（一）射程（一）射程(Range)的定义的定义 带电粒子带电粒子沿入射方向沿入射方向所行径的所行径的最大距离最大距离，称为入射粒子，称为入射粒子在该物质在该物质中中的的射程射程R。入射粒子在物质中行径的入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度实际轨迹的长度称作称作路程路程(Path)。对对重重带电粒子：带电粒子：射程射程路程路程；对对轻轻带电粒子：带电粒子：射程射程 10GeV，vc），），Sion表达式中的表达式中的B项中的对数项项中的对数项起主要作用。起主要作用。曲线曲线a段段：Sion随入射粒子能量随入射粒子能量E

31、减小迅速往原点方向下降。减小迅速往原点方向下降。重带电粒子在物质中消耗一定能量后，粒子速度与电子轨道速度差不多时，重带电粒子在物质中消耗一定能量后，粒子速度与电子轨道速度差不多时，它要从靶物质中俘获电子，如它要从靶物质中俘获电子，如粒子俘获两个电子成为氦原子，这样带电粒子粒子俘获两个电子成为氦原子，这样带电粒子的有效核电荷数减少的有效核电荷数减少，则，则Sion减小。减小。Sion表达式在低能区不适用，因为该式的推导中假定入射粒子速度比电子表达式在低能区不适用，因为该式的推导中假定入射粒子速度比电子轨道速度大得多才成立。轨道速度大得多才成立。第44页，讲稿共99张，创作于星期日4 4、Brag

32、g曲线与能量损失歧离曲线与能量损失歧离p Bragg曲线：曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。第45页，讲稿共99张，创作于星期日p 能量损失歧离能量损失歧离(Energy Loss Straggling)：能量损失歧离能量损失歧离是由是由能量损失是一个随机过程能量损失是一个随机过程所决定的。所决定的。原因原因 带电粒子在物质中损失能带电粒子在物质中损失能量是一个统计过程：量是一个统计过程：一方面，一定能量的带电粒子穿一方面，一定能量的带电粒子穿过一定厚度阻止介质时过一定厚度阻止介质时发生碰撞数发生碰撞数目具有一定的概率分布目具有一定的概率分布

33、；另一方面，每次碰撞中其另一方面，每次碰撞中其能能量损失的多少也是有一定分布量损失的多少也是有一定分布的的。一束一束单能的带电粒子单能的带电粒子穿过一定厚度的介质后，透射的带电粒子将穿过一定厚度的介质后，透射的带电粒子将不不再具有单一能量再具有单一能量，而成，而成一能量分布一能量分布（能量的离散）（能量的离散）。第46页，讲稿共99张，创作于星期日（二）平均电离能（二）平均电离能粒子产生的电离：粒子产生的电离：原电离原电离、次级电离次级电离原电离原电离由由粒子与原子壳层电子粒子与原子壳层电子直接作用直接作用形成形成的电离；的电离；次级电离次级电离原电离中产生的电子原电离中产生的电子继续与其他原

34、子继续与其他原子作用产生的电离。作用产生的电离。总电离总电离=原电离原电离+次级电离次级电离平均电离能平均电离能(W)每产生一对离子（包括原电离与次级电离），带电粒每产生一对离子（包括原电离与次级电离），带电粒子（如子（如粒子）所损耗的平均能量。粒子）所损耗的平均能量。N初始动能为初始动能为E的带电粒子被介质的带电粒子被介质完全阻止时形成的离子对数。完全阻止时形成的离子对数。粒子在空气中产生一对离子所损耗的平均能量粒子在空气中产生一对离子所损耗的平均能量(W值值)约约35.5eV。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

35、-带电粒子在穿过介质的带电粒子在穿过介质的路径上经电离作用产生路径上经电离作用产生的电子和正离子对的电子和正离子对第47页，讲稿共99张，创作于星期日（三）比电离（电离密度）（三）比电离（电离密度）入射带电粒子（如入射带电粒子（如粒子）在粒子）在每单位长度路径上每单位长度路径上产生的产生的离子对总离子对总数数称称比电离（或电离密度）比电离（或电离密度）。下图表示了下图表示了粒子在空气中的比电离与剩余射程的关系：粒子在空气中的比电离与剩余射程的关系：电离能量损失率电离能量损失率与与比电离比电离、平均电离能平均电离能之间的关系：之间的关系：比电离：比电离：W平均电离能平均电离能电离能量损失率电离能

36、量损失率第48页，讲稿共99张，创作于星期日 粒子粒子刚进入介质中时刚进入介质中时，速速度快，与介质原子的作用时度快，与介质原子的作用时间短，比电离小；在间短，比电离小；在射程末端射程末端前前，粒子速度慢，作用时间长，粒子速度慢，作用时间长，有极大值；此后，能量耗尽，比有极大值；此后，能量耗尽，比电离快速衰减到电离快速衰减到0。粒子在空气中的比电离约粒子在空气中的比电离约6600离子对离子对/mm，产生此峰值，产生此峰值的粒子能的粒子能量约量约700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。在曲线开始一段，比电离值上升很慢，

37、到了快接近射程末端，比在曲线开始一段，比电离值上升很慢，到了快接近射程末端，比电离值很快增加，过了峰值之后曲线急剧下降而趋于零，此时即到达电离值很快增加，过了峰值之后曲线急剧下降而趋于零，此时即到达了射程的末端。了射程的末端。原因原因第49页，讲稿共99张，创作于星期日四、四、粒子与原子核的作用粒子与原子核的作用p 粒子与核作用形式：粒子与核作用形式：卢瑟福散射、核反应卢瑟福散射、核反应 卢瑟福散射卢瑟福散射粒子与核库仑场作用而改变方向；粒子与核库仑场作用而改变方向；核反应核反应粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性变化，即产生新核并放出即产生新

38、核并放出1个或几个粒子。记为个或几个粒子。记为A（,b）B。几个几个利用利用射线射线完成的著名的核反应：完成的著名的核反应：利用利用210Po放出的放出的粒子轰击粒子轰击9Be制成的靶，可以产生制成的靶，可以产生12C和中子（查和中子（查德威克德威克1932），），导致中子的发现导致中子的发现：世界上世界上第一个第一个制造的制造的人工放射性核素人工放射性核素：1934年，小居里夫妇年，小居里夫妇（约里奥（约里奥.居里夫妇居里夫妇）第50页，讲稿共99张，创作于星期日 第一个第一个人工核反应人工核反应：开辟了人工方法变革原子核开辟了人工方法变革原子核开辟了人工方法变革原子核开辟了人工方法变革原子

39、核的基本途径，人类能够将一种元的基本途径，人类能够将一种元的基本途径，人类能够将一种元的基本途径，人类能够将一种元素变成另一种元素，实现了中世素变成另一种元素，实现了中世素变成另一种元素，实现了中世素变成另一种元素，实现了中世纪纪纪纪“炼金术士们炼金术士们炼金术士们炼金术士们”的梦想。的梦想。的梦想。的梦想。1919年，卢瑟福年，卢瑟福214Po 7.68 MeV第51页，讲稿共99张，创作于星期日*第第4.3节节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第52页，讲稿共99张，创作于星期日 粒子粒子是随是随衰变放出的衰变放出的快速电子快速电子，粒子是电子（粒子是电子（衰变产生）衰变产生）和正

40、电子（和正电子（+衰变产生）的统称。衰变产生）的统称。同一放射源发射的同一放射源发射的射线射线（由高速运动的电子流组成）（由高速运动的电子流组成）具有连具有连续能谱的特性续能谱的特性，这是它与，这是它与大量大量单能单能电子电子的不同之处。的不同之处。-粒子平均能量：粒子平均能量：p 射线的特征：射线的特征：第53页，讲稿共99张，创作于星期日p 快电子（快电子（Fast Electrons）与物质相互作用的特点：）与物质相互作用的特点：快电子快电子的的速度大速度大；重带电粒子重带电粒子相对相对速度小速度小；快电子快电子除除电离损失电离损失外，外，辐射损失辐射损失不可忽略；不可忽略；重带电粒子重

41、带电粒子主要通过主要通过电离损失电离损失而损失能量；而损失能量；快电子快电子散射严重散射严重。重带电粒子重带电粒子在介质中的在介质中的运动径迹运动径迹近似为近似为直线直线。第54页，讲稿共99张，创作于星期日一、一、粒子与物质相互作用的主要形式粒子与物质相互作用的主要形式（一）弹性散射（一）弹性散射 粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，仅改变运动方向仅改变运动方向，动能动能不变的作用过程不变的作用过程（也不辐射能量）（也不辐射能量）。p 含义：含义：弹性散射是弹性散射是低能低能粒子粒子与物质作用的与物质作用的主要形式主要形式。根据量子力学的理论，有：根据

42、量子力学的理论，有：对单个原子核，对单个原子核，粒子散射到粒子散射到角的概率与靶物质的原子序数平方成角的概率与靶物质的原子序数平方成正比，与正比，与粒子的动能成反比，即：粒子的动能成反比，即：而对于而对于粒子被原子壳层中电子的散射，与靶物质的原子序数成正粒子被原子壳层中电子的散射，与靶物质的原子序数成正比，即：比，即：第55页，讲稿共99张，创作于星期日 对于一定能量的对于一定能量的粒子，它被原子核及壳层电子的散射几率的粒子，它被原子核及壳层电子的散射几率的比值为：比值为：对于对于中等元素与重元素中等元素与重元素，散射形式主要是，散射形式主要是原子原子核散射核散射(例：在铝介质中由壳层电子所引

43、起的散射仅占例：在铝介质中由壳层电子所引起的散射仅占10%)。在在氢介质氢介质中中(Z=1)，两种散射效应几乎有，两种散射效应几乎有同等作同等作用用；p 反散射：反散射：由于由于粒子粒子(电子电子)质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，生多次散射，最后偏离原来的运动方向，粒子粒子(电子电子)沿其入射方向沿其入射方向发生大角度偏转，发生大角度偏转，又从入射表面发射出来又从入射表面发射出来(90)，称为反散射，称为反散射。第56页，讲稿共99张，创作于星期日从实验曲线看出：从实验曲线看出：对对同种材料同种材料，入射，入射

44、粒子粒子(电子电子)能量越低能量越低，反散射反散射越严越严重重；对；对同样能量同样能量的入射的入射粒子粒子(电子电子)，原子序数越高原子序数越高的材料，的材料，反散射反散射越严重越严重。对低能对低能粒子粒子(电子电子)在高原在高原子序数的厚样品物质上的反子序数的厚样品物质上的反散射系数可达散射系数可达50。反散射系数：反散射系数：定义：定义：I0进入探测器之前的进入探测器之前的射线强度射线强度(源发出源发出射线强度的初始值射线强度的初始值)；I探测器测得的探测器测得的射线强度射线强度(未发生散射的未发生散射的射线强度射线强度)；第57页，讲稿共99张，创作于星期日 反散射的利用与避免：反散射的

45、利用与避免：对对放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高探测器的探测效率。探测器的探测效率。方法方法：给源加一个高：给源加一个高Z厚衬底。厚衬底。原因原因：放射源的衬底可能使放射源的衬底可能使向探测器相反方向发向探测器相反方向发射的电子射的电子（放射源具有（放射源具有4发射角）发射角）散射回到探测器而散射回到探测器而使计数率明显增高使计数率明显增高（当衬底材料是高（当衬底材料是高Z值元素组成时，计数率值元素组成时，计数率的增加会超过的增加会超过50%）。对对探测器探测器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的测量偏差测量偏差。方法方法：使用：使用低低Z材料材料作探测

46、器的入射窗作探测器的入射窗和探测材料。和探测材料。原因原因：尽量减小：尽量减小粒子在探测器及其周围粒子在探测器及其周围物质中产生的反散射现象。物质中产生的反散射现象。第58页，讲稿共99张，创作于星期日p 粒子的运动轨迹粒子的运动轨迹：粒子在物质中的路程，比穿过物质粒子在物质中的路程，比穿过物质的厚度大很多，一般是的厚度大很多，一般是1.54倍。倍。由于由于粒子受到轨道电子或原子核粒子受到轨道电子或原子核的散射，其运动方向不断改变，因此，的散射，其运动方向不断改变，因此，粒子的运动轨迹粒子的运动轨迹不是一条直线，不是一条直线，而是而是一条不规则的折线一条不规则的折线。粒子的运动径迹是粒子的运动

47、径迹是曲折曲折的。的。粒子的粒子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。粒子的粒子的射程比路程小得多射程比路程小得多。特征：特征：第59页，讲稿共99张，创作于星期日（二）电离与激发（二）电离与激发p 粒子的能量损失率粒子的能量损失率：对对粒子（粒子（快电子），必须考虑相对论效应时的快电子），必须考虑相对论效应时的电离能量损失电离能量损失和和辐射能量损失辐射能量损失。粒子与壳层电子发生相互作用，把部分能量传递给壳层电子，使靶物质原粒子与壳层电子发生相互作用，把部分能量传递给壳层电子，使靶物质原子子电离或激发电离或激发，而，而粒子本身的能量则逐渐消耗粒子本身的能量则逐渐消耗。和和粒子一样，粒子

48、一样，粒子由于电离作用和激发作用在单位长度上损失的粒子由于电离作用和激发作用在单位长度上损失的能量称为电离能量损失率能量称为电离能量损失率Sion：第60页，讲稿共99张，创作于星期日p 电子电子(粒子粒子)电离能量损失率的电离能量损失率的Bethe公式：公式：粒子产生的直接电离约占总电离的粒子产生的直接电离约占总电离的2030；次级电离约占；次级电离约占7080。根据。根据Bethe公式有：公式有：m0，e电子的静止质量与电荷；电子的静止质量与电荷；z，v电子的电荷数与速度；电子的电荷数与速度；v/c，c光速；光速；Z介质的原子序数；介质的原子序数；N介质单位体积（介质单位体积（1cm3）内

49、的原子数目内的原子数目；I吸收介质原子的平均电离电位；吸收介质原子的平均电离电位；E入射电子动能；入射电子动能；第61页，讲稿共99张，创作于星期日 射射线 射射线径迹径迹 粗粗 直直 细 弯弯 电离作用离作用强 电离作用离作用严重重 产生离子生离子对数目多数目多(比比电离离值大大径迹粗径迹粗)电离作用离作用 Z1Z2/v2 Z1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v 入射粒子速度入射粒子速度p 射线与射线与射线电离效应的比较：射线电离效应的比较：实验结果图示实验结果图示第62页，讲稿共99张，创作于星期日电子径迹是折子径迹是折线粒子径迹是一条直粒子径迹是一

50、条直线 5.3MeV(210Po)粒子在空气粒子在空气中的射程中的射程3.83 cm第63页，讲稿共99张，创作于星期日（三）韧致辐射（三）韧致辐射p 辐射能量损失：辐射能量损失：带电粒子带电粒子穿过物质时受物质穿过物质时受物质原子核原子核的的库仑作用库仑作用(与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程)，其，其速度速度和和运动方向运动方向发生变化发生变化，会伴随发射，会伴随发射电磁波电磁波，即，即轫致辐射轫致辐射。韧致辐射所产生的电磁辐射是韧致辐射所产生的电磁辐射是连续能量的连续能量的X射线射线，其能量与入射带，其能量与入射带电粒子动能电粒子动能处于同一数量级处于同一数量级。原子核原子