射线与物质的相互作用节.pptx

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1、射线与物质的相互作用节射线与物质的相互作用节 粒子及重粒子束粒子及重粒子束粒子及重粒子束粒子及重粒子束与物质的相互作用与物质的相互作用与物质的相互作用与物质的相互作用1.1.粒子及重粒子束粒子及重粒子束与物质作用的主要过程2.2.粒子及重粒子束粒子及重粒子束在物质中的能量损失3.3.粒子及重粒子束粒子及重粒子束在物质中的比电比电离离4.4.粒子及重粒子束粒子及重粒子束在物质中的射程射程第第2页页/共共14页页第1页/共14页Ionization(Ionization(电离电离)具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得的动能足以克服原

2、子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离电离。在电离过程产生的某些自由电子，具有足够的动能，能进一步引起物质电离和激发，这些电子称为次级电子次级电子或电子电子。由带电粒子与轨道电子作用产生的电离，称为直接电离（式初级电离），由次级电次级电子子引起的电离称为间接电离（或次级电离），直接电离和间接电离合在一起称为总电离总电离 粒子粒子与物质作用的主要过程与物质作用的主要过程第第3页页/共共14页页第2页/共14页 粒子粒子粒子粒子与物质作用的主要过程与物质作用的主要过程与物质作用的主要过程与物质作用的主要过程 具有一定具有一定动能的带电粒子动能的带电粒子与原子的与原子的轨道电子轨道电

3、子发生库仑作用时，把发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子本身的部分能量传递给轨道电子 如果轨道电子获得的能量不足以摆如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为此过程称为激发激发激发激发。处于激发态的处于激发态的原子原子原子原子是不稳定的。跃迁到高能级的电子将自发地跃是不稳定的。跃迁到高能级的电子将自发地跃迁到低能级而使处于激发态的原子迁到低能级而使处于激发态的原子退激退激退激退激，激发能激发能激发能激发能（等于电子跃迁前（等于电子跃迁前后两能级的能量差）将以后两能级的

4、能量差）将以X X射线的形式放出，称为射线的形式放出，称为标识标识标识标识X X射线或特征射线或特征射线或特征射线或特征X X射线射线射线射线。该激发能也可传递给核外电子，使该电子获得足够的动能，。该激发能也可传递给核外电子，使该电子获得足够的动能，逃离原子核的束缚而成为一个自由电子（逃离原子核的束缚而成为一个自由电子（俄歇电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子），这种过程称），这种过程称为为俄歇效应。俄歇效应。俄歇效应。俄歇效应。Excitation（激发）激发）第第4页页/共共14页页第3页/共14页质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领结论：结论：结论：结论：能量损失率与

5、入能量损失率与入射粒子的速度射粒子的速度的平方成反比，的平方成反比，说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用时间有关，作用时间有关，速度越小，作用时间越长，速度越小，作用时间越长，速度越小，作用时间越长，速度越小，作用时间越长，传递给轨道电子的能量越多传递给轨道电子的能量越多传递给轨道电子的能量越多传递给轨道电子的能量越多；带电粒子在停；带电粒子在停下来以前的某一段路程上的能量损失将达到下来以前的某一段路程上的能量损失将达到最大值。最大值。而与其质量无关；（由于而与其质量无关；（由于mmparticleparticlemme e，重带电粒子受到的反冲可忽

6、略；，重带电粒子受到的反冲可忽略；入射粒子的能量越小，单位径迹上的能量损入射粒子的能量越小，单位径迹上的能量损失率越大）。失率越大）。第第5页页/共共14页页第4页/共14页质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领能量损失率与能量损失率与带电粒子电荷数带电粒子电荷数的平方成的平方成正比正比正比正比。说明带电粒子的电荷越大，与轨道电子的库说明带电粒子的电荷越大，与轨道电子的库伦作用越强，因此传递给轨道电子的能量越伦作用越强，因此传递给轨道电子的能量越多；多；（同样能量的（同样能量的 粒子与质子通过同一物质时，粒子与质子通过同一物质时，粒子的能量损失率要比质子大粒子的能量损失率要比质子大4 4倍。因此，倍

7、。因此，在物质中的穿透能力弱）。在物质中的穿透能力弱）。第第6页页/共共14页页第5页/共14页质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领能量损失率与吸收物质的电子电子密度密度和原子序数成正比；（带电粒子在液体、固体中的能量损失率比在气体中的大，在高原子序数的物质中的能量损失率比低原子序数的物质中的大）。第第7页页/共共14页页第6页/共14页带电粒子在物质中的比电离带电粒子在物质中的比电离带电粒子在物质中的比电离带电粒子在物质中的比电离带电粒子通过物质时，以不同的方式损失能量，引带电粒子通过物质时，以不同的方式损失能量，引起物质的电离。起物质的电离。直接电离：由带电粒子

8、直接作用产生的电离；直接电离：由带电粒子直接作用产生的电离；间接电离：由直接电离产生的间接电离：由直接电离产生的 射线引起的电离。射线引起的电离。比电离：比电离：比电离：比电离：单位径迹长度上产生的单位径迹长度上产生的离子对数离子对数离子对数离子对数。比电离又称为。比电离又称为电电电电离密度离密度离密度离密度。气体中每产生一对离子所消耗的平均能量第第8页页/共共14页页第7页/共14页比电离比电离比电离比电离 离子和质子在空气中的相对比电离离子和质子在空气中的相对比电离在比电离曲线中，随着剩余射程的减少，比电离逐渐增加，在剩余射程的末端达到最大值。出现在带电粒子射程末端的比电离峰称为 Brag

9、g 峰峰，比电离曲线又 称为Bragg曲线曲线。质子束射程末端的高比电离效应已经被用于治疗癌症。第第9页页/共共14页页第8页/共14页带电粒子在物质中的射程带电粒子在物质中的射程带电粒子在物质中的射程带电粒子在物质中的射程包括粒子在内的带电粒子，通过与物质的不包括粒子在内的带电粒子，通过与物质的不断相互作用，耗尽其能量后而停留于物质中，断相互作用，耗尽其能量后而停留于物质中，称为被物质称为被物质吸收吸收吸收吸收。带电粒子在某种物质中沿入射方向从进入到带电粒子在某种物质中沿入射方向从进入到被物质吸收所经历的被物质吸收所经历的最大直线距离最大直线距离最大直线距离最大直线距离带电带电粒子在该物质中

10、的粒子在该物质中的射程射程射程射程。射程的大小与粒子的类型、初始能量及吸收射程的大小与粒子的类型、初始能量及吸收物质的性质有关。物质的性质有关。第第10页页/共共14页页第9页/共14页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 射线射线射线射线是由原子核转变过程中放射出来的是由原子核转变过程中放射出来的具有连续谱具有连续谱具有连续谱具有连续谱的快速电子流的快速电子流的快速电子流的快速电子流。与与 粒子相比，与物质相互作用过程虽然相似，但在粒子相比，与物质相互作用过程虽然相似，但在具体的作用过程中，由于其质量小而具有其特点。例具体的作用过程中，由于其质量小

11、而具有其特点。例如与轨道电子的非弹性散射，每次碰撞的能量损失比如与轨道电子的非弹性散射，每次碰撞的能量损失比 粒子小，而且运动方向将发生很大的改变。在与原粒子小，而且运动方向将发生很大的改变。在与原子核的库仑场发生非弹性散射时，产生子核的库仑场发生非弹性散射时，产生韧致辐射韧致辐射，其，其能量损失可以与电离能量损失相当。能量损失可以与电离能量损失相当。电离损失和辐射损失是电离损失和辐射损失是电离损失和辐射损失是电离损失和辐射损失是 射线与物质相互作用过程中射线与物质相互作用过程中射线与物质相互作用过程中射线与物质相互作用过程中能量损失的主要形式。能量损失的主要形式。能量损失的主要形式。能量损失

12、的主要形式。第第11页页/共共14页页第10页/共14页辐射损失辐射损失辐射损失辐射损失轫致辐射轫致辐射轫致辐射轫致辐射当高速运动的带电粒子从原子核的库仑场附近掠当高速运动的带电粒子从原子核的库仑场附近掠过时，它将受到原子核库仑场的作用而产生加速过时，它将受到原子核库仑场的作用而产生加速度，包括速度的降低和方向的改变，其部分或全度，包括速度的降低和方向的改变，其部分或全部能量，将转变为连续谱的电磁辐射，这就是部能量，将转变为连续谱的电磁辐射，这就是轫轫轫轫致辐射致辐射致辐射致辐射。以这种形式的能量损失，称为。以这种形式的能量损失，称为辐射损失辐射损失辐射损失辐射损失第第12页页/共共14页页第

13、11页/共14页韧致辐射（韧致辐射（韧致辐射（韧致辐射（bremsstrahlungbremsstrahlung）以韧致辐射形势造成的以韧致辐射形势造成的能量损失称为辐射损失。能量损失称为辐射损失。物质的原子序数带电粒子的电荷带电粒子的质量第第13页页/共共14页页第12页/共14页射线在物质中的吸收和射程射线在物质中的吸收和射程射线在物质中的吸收和射程射线在物质中的吸收和射程淹灭反应淹灭反应淹灭反应淹灭反应进入物质中的粒子，通过电离损失和辐射损失等过程耗尽其能量进入物质中的粒子，通过电离损失和辐射损失等过程耗尽其能量后，停留于物质中，称之为被物质所后，停留于物质中，称之为被物质所吸收吸收吸收

14、吸收。+粒子最终与介质中粒子最终与介质中的电子发生的电子发生淹灭反应，淹灭反应，淹灭反应，淹灭反应，释放出两个能量相等，方向相反的释放出两个能量相等，方向相反的光子光子光子光子b b射线由具有连续谱的电子组成射线由具有连续谱的电子组成。不同能量的电子在同一。不同能量的电子在同一物质中的射程不同，即使垂直入射于物质中的单能电子，物质中的射程不同，即使垂直入射于物质中的单能电子，各个电子由于经过各相互作用的几率不同，它们最终终止各个电子由于经过各相互作用的几率不同，它们最终终止于物质中的位置也会不同，故不能能象于物质中的位置也会不同，故不能能象射线那样，用射线那样，用平平均射程均射程来表示其吸收厚度，而用来表示其吸收厚度，而用最大射程最大射程来表示。来表示。第第14页页/共共14页页第13页/共14页