高等電離輻射防護(hù)教程 夏益華 4第二章 電離輻射與物質(zhì)相互作用

1、理學(xué)院 張慧娟電離輻射與非電離輻射射線的種類很多，能量范圍也很寬，但一般只關(guān)注，能量大于這個(gè)最低能值的輻射稱作電離輻射電離輻射。電離輻射凡是與物質(zhì)直接或間接作用時(shí)能使物質(zhì)電離的一切輻射，稱為電離輻射。帶電粒子的輻射帶電粒子的輻射：電子、正電子、質(zhì)子、粒子等。亦可稱為直接電離輻射直接電離輻射，帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，沿著粒子徑跡通過(guò)許多次的庫(kù)倫力的相互作用，將其能量傳遞給物質(zhì)。非帶電粒子的輻射非帶電粒子的輻射：電磁輻射（射線和X射線）和中子等。亦可稱為間接電離輻射間接電離輻射，X/射線或中子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生少數(shù)幾次相對(duì)而言較強(qiáng)的相互作用，把其部分或全部能量轉(zhuǎn)移給它們所通過(guò)物質(zhì)中的某帶電粒子，然

2、后，所產(chǎn)生的快速帶電粒子再按直接致電離輻射的方式將能量傳遞給物質(zhì)。 X/射線將其全部或部分能量傳遞給物質(zhì)中原子核外的電子，產(chǎn)生次級(jí)電子次級(jí)電子；中子幾乎總是以核反應(yīng)或核裂變過(guò)程產(chǎn)生次次級(jí)重帶電粒子級(jí)重帶電粒子。電離輻射與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子的種類常見(jiàn)的帶電粒子：電子、射線、質(zhì)子、粒子等。重帶電粒子粒子、介子、介子、質(zhì)子、被加速的原子核等電子核外電子、射線（原子核發(fā)射出來(lái)的高速電子）兩者區(qū)別：質(zhì)量不同靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子稱為重帶電粒子電荷數(shù)不同電離能力不同自由電子自由電子正離子正離子 e-+ +物質(zhì)中原物質(zhì)中原子被電離，子被

3、電離，在粒子通在粒子通過(guò)的路徑過(guò)的路徑上形成許上形成許多離子對(duì)多離子對(duì)+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用帶電粒子穿過(guò)靶物質(zhì)時(shí)帶電粒子與物質(zhì)相互作用的方式帶電粒子與靶原子核外電子的非彈性帶電粒子與靶原子核外電子的非彈性碰撞碰撞帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞撞帶電粒子與靶原子核外電子的非彈性碰撞

4、引起原子的電離和激發(fā)電離和激發(fā)過(guò)程。電離激發(fā)的過(guò)程中，核外電子獲得能量，帶電粒子的能量減少，速度降低，通過(guò)這種方式損失的能量稱為電離能量損失電離能量損失帶電粒子損失能量的主要方式帶電粒子損失能量的主要方式Particles電離和激發(fā)具有一定動(dòng)能的帶電粒子與原子的軌道電子發(fā)生庫(kù)侖作用時(shí)，把本身的部分能量傳遞給軌道電子。如果軌道電子獲得的動(dòng)能足以克服原子核的束縛，逃出原子殼層而成為自由電子，此過(guò)程稱為電離電離。Particles電離和激發(fā)如果軌道電子獲得的能量不足以擺脫原子核的束縛，而是從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使原子處于激發(fā)態(tài)，此過(guò)程稱為激發(fā)激發(fā)。Particlesu如果電離過(guò)程中發(fā)射出的電子具有足

5、夠高的動(dòng)能，他也可能與靶原子作用發(fā)生二次電離u如果被電離的是內(nèi)層電子，外層電子向該殼層躍遷時(shí)，會(huì)發(fā)射特征X射線或俄歇電子電離和激發(fā)具有一定動(dòng)能的帶電粒子與原子的軌道電子發(fā)生庫(kù)侖作用時(shí)，把本身的部分能量傳遞給軌道電子。如果軌道電子獲得的動(dòng)能足以克服原子核的束縛，逃出原子殼層而成為自由電子，此過(guò)程稱為電離電離。Particlesu原子退激激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，處在高能態(tài)的電子要跳回低能態(tài)軌道。u退激過(guò)程會(huì)發(fā)射可見(jiàn)光或紫外線電離和激發(fā)如果軌道電子獲得的能量不足以擺脫原子核的束縛，而是從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使原子處于激發(fā)態(tài)，此過(guò)程稱為激發(fā)激發(fā)。Particles帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞入射帶電粒子

6、與物質(zhì)原子核通過(guò)庫(kù)倫力的相互作用，使入射帶電粒子受到排斥或吸引，導(dǎo)致粒子的速度和方向發(fā)生變化。當(dāng)帶電粒子加速或減速時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生輻射，這種導(dǎo)致帶電粒子驟然變速時(shí)伴隨產(chǎn)生的電磁輻射稱為軔致輻射軔致輻射通過(guò)這種方式損失的能量稱為輻射損失輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞輻射損失輻射損失輕帶電離子損失能量的主要方式u重帶電粒子由于質(zhì)量較大，與靶原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變不大，輻射損失較電離損失小。u粒子質(zhì)量較小，與靶原子核作用后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變顯著，輻射損失明顯帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶物質(zhì)原子核在庫(kù)倫力作用下，只改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，而作用前后體系的動(dòng)能和動(dòng)量保持守恒，這種過(guò)程稱為彈性

7、散射彈性散射，即盧瑟福散射即盧瑟福散射。這種過(guò)程不會(huì)使原子核激發(fā)也不會(huì)產(chǎn)生軔致輻射，只是原子核反沖而帶走入射粒子的一部分能量，這種能量損失稱為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，這種阻止作用稱為核核阻止阻止。帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶物質(zhì)原子核在庫(kù)倫力作用下，只改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，而作用前后體系的動(dòng)能和動(dòng)量保持守恒，這種過(guò)程稱為彈性散射彈性散射，即盧瑟福散射即盧瑟福散射。這種過(guò)程不會(huì)使原子核激發(fā)也不會(huì)產(chǎn)生軔致輻射，只是原子核反沖而帶走入射粒子的一部分能量，這種能量損失稱為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，這種阻止作用稱為核阻止核阻止。說(shuō)明：說(shuō)明：如果反沖靶原子核能量較高，也可以與其它原

8、子發(fā)生碰撞，造成靶物質(zhì)的輻射損失 重帶電粒子發(fā)生彈性散射的幾率很小，散射現(xiàn)象不明顯，因此其在物質(zhì)中的徑跡是直線。1. 電子的質(zhì)量小，不僅受到原子核的散射，而且受到電子的散射。多次散射的結(jié)果，使電子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生多次改變。此過(guò)程是引起電子散射嚴(yán)重的主要因素。此過(guò)程是引起電子散射嚴(yán)重的主要因素。帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞過(guò)程只有很小的能量轉(zhuǎn)移。這種相互作用方式只是在能量極低（100ev）的電子才會(huì)考慮。因此，對(duì)粒子的能量損失貢獻(xiàn)很小，一般忽略。小結(jié)帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失方式主要是通過(guò)電離和激發(fā)、其次為韌致輻射。重帶電粒子主要為電離與激發(fā)電子主要

9、為韌致輻射與彈性散射帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失：電離損失或輻射損失。重帶電粒子主要為電離損失電子主要為電離損失和輻射損失描述帶電粒子與物質(zhì)相互作用的幾個(gè)概念阻止本領(lǐng)阻止本領(lǐng)帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失射程射程帶電粒子在某種物質(zhì)中沿著入射方向從進(jìn)入到最后被物質(zhì)吸收所經(jīng)過(guò)的最大直線距離比電離比電離單位徑跡長(zhǎng)度上產(chǎn)生的電離對(duì)數(shù)阻止本領(lǐng)帶電粒子進(jìn)入物質(zhì)后，受庫(kù)倫力相互作用損失能量的過(guò)程可以看成是被物質(zhì)阻止的過(guò)程，定義某種吸收物質(zhì)對(duì)帶電粒子的線性阻止本領(lǐng)線性阻止本領(lǐng)， 也可以稱為粒子的能量損失率能量損失率，或比能損失。線性阻止本領(lǐng)（S）帶電粒子在材料中的微分能量損失dE除以相應(yīng)的微分路徑dl，即：根據(jù)帶電

10、粒子與靶物質(zhì)原子碰撞過(guò)程的分析，能量損失率由電離能量損失率Scol或Sion、輻射能量損失率Srad及核碰撞能量損失率Sn組成，故有：對(duì)不同的帶電粒子三種能量的損失方式所占的比重不一樣。對(duì)不同的帶電粒子三種能量的損失方式所占的比重不一樣。dldESradnionradniondldEdldEdldESSSS)()()(阻止本領(lǐng)為消除密度的影響，常用質(zhì)量阻止本領(lǐng)描述粒子的能量損失總質(zhì)量阻止本領(lǐng)帶電粒子在物質(zhì)中的一切能量損失，用總質(zhì)量阻止本領(lǐng)來(lái)表示碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)電離能量損失率輻射質(zhì)量阻止本領(lǐng)輻射能量損失率radcolradcolSSdldEdldES)()()(1)(1碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)Bethe

11、-Bloch Formula: stopping power dE/dx: average energy loss per unit path length 22ln2)(122222222IcmMZNcmrdldEeiZAAeecol密度效應(yīng)修正項(xiàng)碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)關(guān)于上式的幾個(gè)結(jié)論：（1）電離能量損失率與重帶電粒子電荷數(shù)電離能量損失率與重帶電粒子電荷數(shù)z2成正比成正比。庫(kù)侖力作用（2）電離能量損失率與入射粒子速度電離能量損失率與入射粒子速度v有關(guān)，而與質(zhì)量無(wú)有關(guān)，而與質(zhì)量無(wú)關(guān)關(guān)。 作用時(shí)間（3）電離能量損失率與物質(zhì)的電子密度電離能量損失率與物質(zhì)的電子密度NZ成正比成正比。N表示單位體積內(nèi)靶物

12、質(zhì)的原子數(shù)，Z是其原子序數(shù)，則單位體積內(nèi)的電子數(shù)是NZ。物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對(duì)粒子的阻止本領(lǐng)越強(qiáng)。 作用時(shí)間帶電粒子在液體、固體中的能量損失率比在氣體中的大，在高原子序數(shù)的物質(zhì)中的能量損失率比低原子序數(shù)的物質(zhì)中的大22ln2)(122222222IcmMZNcmrdldEeiZAAeecol輻射質(zhì)量阻止本領(lǐng)對(duì)一定能量的帶電粒子，其輻射損失Bethe-Bloch formula: kinetic energy of particle in units of MeV物質(zhì)的原子序數(shù)越大、帶電粒子的電荷數(shù)越大，輻射損失越大；帶電粒子的質(zhì)量越大，輻射損失越小。2)()/(2

13、)2(ln12)(1222222FcmIAZNcmrdxdEeAeecol22mZzERL比電離 帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，通過(guò)電離和激發(fā)產(chǎn)生許多電子離子對(duì)，把單位距離上產(chǎn)生的平均離子對(duì)數(shù)稱作比電離比電離，或電離密度電離密度。比電離可用線性碰撞阻止本領(lǐng)來(lái)計(jì)算，表示帶電粒子在單位路程上電離損失的平均能量。厘米）離子對(duì) /()(,WdldEScolip氣體中每產(chǎn)生一對(duì)離子所消耗的平均能量射程 帶電粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷損失能量，最終會(huì)停留在物質(zhì)中。它沿初始運(yùn)動(dòng)方向所行進(jìn)的最大距離稱作入射粒子在該物質(zhì)中的射程射程。入射粒子在物質(zhì)中行經(jīng)的實(shí)際軌跡長(zhǎng)度稱作路程路程。射程的大小與粒子的類型、初始能量及吸收物質(zhì)的

14、性質(zhì)有關(guān)。帶電粒子的種類常見(jiàn)的帶電粒子：電子、射線、質(zhì)子、粒子等。重帶電粒子粒子、介子、介子、質(zhì)子、被加速的原子核等電子核外電子、射線（原子核發(fā)射出來(lái)的高速電子）兩者區(qū)別：質(zhì)量不同靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子稱為重帶電粒子電荷數(shù)不同電離能力不同重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用在我們感興趣的能量范圍內(nèi)（大約0.1Mev到20Mev）的重帶電粒子重帶電粒子與物質(zhì)的主要相互作用有：（1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，導(dǎo)致原子電離和激發(fā)，但粒子的運(yùn)動(dòng)方向幾乎沒(méi)有什么變化；（2）電荷交換，即俘獲和損失電子；（3）與核的彈性碰撞（盧瑟福散射）；（4）核反應(yīng)。離子的種類不同，相互作用的方式有所差別。造成能量損失的主要

15、機(jī)制是電離和激發(fā)，即電離能量損失。輻射損失以及與靶原子與核外電子發(fā)生彈性散射損失的能量可以忽略不計(jì)。電離能量損失總質(zhì)量阻止本領(lǐng)可用碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)近似表示電離能量損失率與重帶電粒子電荷數(shù)z2成正比。如和質(zhì)子的速度相等，物質(zhì)對(duì)粒子的阻止本領(lǐng)是對(duì)質(zhì)子的4倍。帶電粒子的電荷越多，能量損失就越大，穿透力越差。22ln2)(122222222IcmMZNcmrdldEeiZAAeecol),()(12IfMZzdldEAcol電離能量損失總質(zhì)量阻止本領(lǐng)可用碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)近似表示電離能量損失率與入射粒子速度v有關(guān)，而與質(zhì)量無(wú)關(guān)。這是由于重帶電粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的靜止質(zhì)量。只要兩種入射粒子的速度相等，并

16、具有相等的電荷數(shù)，那么他們的能量損失率就相等22ln2)(122222222IcmMZNcmrdldEeiZAAeecol),()(12IfMZzdldEAcol電離能量損失總質(zhì)量阻止本領(lǐng)可用碰撞質(zhì)量阻止本領(lǐng)近似表示電離能量損失率與物質(zhì)的電子密度NZ成正比。N表示單位體積內(nèi)靶物質(zhì)的原子數(shù)，Z是其原子序數(shù)，則單位體積內(nèi)的電子數(shù)是NZ。物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對(duì)粒子的阻止本領(lǐng)越強(qiáng)。22ln2)(122222222IcmMZNcmrdldEeiZAAeecol),()(12IfMZzdldEAcol電離能量損失電離能量損失率與入射粒子的能量有關(guān)電離能量損失率與入射粒子的能量

17、有關(guān)。將具有一定能量的質(zhì)子、氘核、粒子和介子等重帶電粒子稱為快重帶電粒子，將所有z2并失去了部分電子的原子和裂變碎片等粒子稱為重離子。在我們所關(guān)注的能量范圍里，快重帶電粒子和重離子的電離能量損失Sion都是最主要的能量損失方式，而輻射能量損失Srad都可以忽略，快重帶電粒子的核碰撞能量損失Sn一般很小，但重離子（特別速但重離子（特別速度很低時(shí)）的核碰度很低時(shí)）的核碰撞能量損失撞能量損失Sn可與可與電離能量損失電離能量損失Sion相相當(dāng)。當(dāng)。能量損失能量損失粒子和質(zhì)子在空氣中的相對(duì)比電離比電離射程重帶電粒子的質(zhì)量大，它與電子的相互作用不會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向有大的改變，其軌跡幾乎是直線，射程基本等于路

18、程。能量為E0的帶電粒子的射程R可以表示為：一般用實(shí)驗(yàn)測(cè)定。Device for the determination of the range of particles in air平坦部分說(shuō)明，雖然計(jì)數(shù)率沒(méi)有改變，但粒子的能量減小了；斜坡部分說(shuō)明，盡管入射粒子的初始能量相同，但由于單個(gè)粒子在物質(zhì)中的能量損失是隨機(jī)的，因此不同粒子的實(shí)際射程不同，圍繞平均射程隨機(jī)分布。Relative number of the particles from 210Po as a function of the distance重帶電粒子在物質(zhì)中的射程平均射程u可以看出粒子的計(jì)數(shù)率n從開(kāi)始下降到降為零這段距離內(nèi)

19、被全部吸收，把計(jì)數(shù)率下降為一半的透射距離定義為粒子的平均射程平均射程R R0 0.u對(duì)曲線a求導(dǎo)得到曲線b，稱為微分曲線，代表單位路程上的粒子數(shù)隨路程的分布，其峰值正好為平均射程R0。u粒子在空氣中的射程數(shù)據(jù)總結(jié)出了半經(jīng)驗(yàn)公式：The Range of in Various Substances電子與物質(zhì)的相互作用快速電子包括射線（正電子和電子）和單能電子束。由于電子的靜止質(zhì)量約是粒子的1/7000，所以與物質(zhì)的相互作用及在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡都與重帶電粒子有很大的差異。快速電子與物質(zhì)的相互作用有：（1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，引起原子的電離和激發(fā)；（2）核彈性庫(kù)倫散射，散射嚴(yán)重；（3）在電子

20、減速或加速的過(guò)程中發(fā)射電磁輻射（軔致輻射）；（4）正電子或負(fù)電子的湮滅。雖然電離和激發(fā)仍是重要的，但軔致輻射的作用不能隨意的忽略。并且在與軌道電子的一次作用中，可以損失相當(dāng)大份額甚至全部的能量，并顯著改變自己的運(yùn)動(dòng)方向。電離損失快電子的能量損失率有電離損失和輻射損失組成。快電子與物質(zhì)相互作用的損失能量率遠(yuǎn)小于重帶電粒子，在相同的能量情況下，電子的速度遠(yuǎn)大于重帶電粒子的速度，因此，電子在單位路程上損失的能量遠(yuǎn)小于重帶電粒子。描述電離能量損失率的公式：電離能量損失率與入射粒子速度電離能量損失率與入射粒子速度v有有關(guān)，與物質(zhì)的電子密度關(guān)，與物質(zhì)的電子密度NZ成正比。成正比。輻射損失帶電粒子在原子核庫(kù)

21、侖場(chǎng)中被減速或加速，其部分或全部動(dòng)能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁輻射。其能量損失稱為輻射損失輻射損失?？梢钥闯鰩讉€(gè)結(jié)論：（1）輻射能量損失率與輻射能量損失率與m2成反比成反比。粒子質(zhì)量越小，軔致輻射強(qiáng)度越大。（2）輻射能量損失率與輻射能量損失率與Z2成正比。成正比。電子打到高原子序數(shù)的材料時(shí)更易產(chǎn)生軔致輻射。用于產(chǎn)生X射線源。（3）輻射能量損失率與粒子能量輻射能量損失率與粒子能量E成正比。成正比。快速電子在物質(zhì)中的能量損失率可表示為：可以看出：電子的能量低時(shí)，電離損失占有主要的地位；而電子能量較高時(shí)，輻射損失就會(huì)越來(lái)越占有重要作用。在相對(duì)論能區(qū)，有：高能高能 粒子的防粒子的防護(hù)中，屏蔽韌護(hù)中，屏蔽韌致

22、輻射是重要致輻射是重要的問(wèn)題的問(wèn)題能量損失能量損失彈性散射電子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向的改變雖與原子核和核外電子發(fā)生非彈性碰撞有關(guān)，但主要還是由于原子核的庫(kù)倫力作用而發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。彈性碰撞過(guò)程中電子的能量變化很小，但方向變化很大，這就是彈彈性散射性散射。電子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)要先后受到許多次原子核的彈性散射作用，稱為多次散射多次散射。經(jīng)過(guò)多次散射后，散射角可以大于90，甚至可能是180，通常把大于90的散射稱為反散射反散射。電子在穿透物質(zhì)時(shí)，有嚴(yán)重的散射效應(yīng)，出射方向偏離較大，徑跡曲折雜亂。電子的吸收實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于不同的吸收介質(zhì)，m隨原子序數(shù)的增加而緩慢的上升，對(duì)于同一種介質(zhì)，吸收系數(shù)m與粒子最大能

23、量密切相關(guān)。對(duì)鋁有如下經(jīng)驗(yàn)公式：max17Em射線的射程與粒子的射程不同，粒子沒(méi)有確定的射程。原因：粒子徑跡是直線， 粒子雜亂曲折，射程要比實(shí)際路程大很多粒子只是在平均射程附近有明顯吸收，而粒子由于能量是連續(xù)分布的， 射線在物質(zhì)中的吸收曲線可看成是不同能量的單能電子的吸收曲線的線性疊加。射線的射程用 射線能譜中的最大能量E max所對(duì)應(yīng)的射程表示射線的射程射線在低Z材料中的射程有如下經(jīng)驗(yàn)公式， 當(dāng)0.01E 2.5Mev時(shí)：當(dāng)E2.5Mev時(shí)： R0 = 0.530E-0.106 其中，射程R0用質(zhì)量厚度表示，單位是gcm-2，E為粒子的最大能量，單位是Mev。EERln0954.027.10

24、412.0Absorption of the radiation of 32P in aluminium射線在鋁中的射程(mg/cm2)一般放射性同位素產(chǎn)生的射線，在鋁中的射程只有零點(diǎn)幾毫米到幾毫米，比較容易防護(hù)。但進(jìn)入人體表面組織時(shí)，可造成細(xì)胞損傷，要進(jìn)行防護(hù)。正電子與物質(zhì)的相互作用正電子在通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與核外電子及原子核相互作用，損失能量的主要過(guò)程和負(fù)電子一樣，即電離損失和輻射損失。在吸收體中的徑跡類似于負(fù)電子，其能量損失率及射程也與初始能量相等的負(fù)電子相同。特點(diǎn)在于，在其慢化而快終止時(shí)，會(huì)與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅而消失，同時(shí)放出兩個(gè)光子。兩個(gè)湮滅光子能量均是0.511Mev，發(fā)生的方向相差1

25、80，即總動(dòng)量是零。其它形式的輻射其它形式的輻射上述討論了帶電粒子穿過(guò)介質(zhì)時(shí)的兩種主要的能量損失方式電離損失和輻射損失，這也是能量低于20Mev的帶電粒子與物質(zhì)相互作用損失能量的主要過(guò)程。對(duì)于高能帶電粒子而言，除了上述過(guò)程外，還會(huì)引起切倫科夫輻射和穿越輻射。切倫科夫輻射切倫科夫輻射是快速帶電粒子的速度大于光在介質(zhì)中的速度而產(chǎn)生的。穿越輻射穿越輻射是快速帶電粒子從一種介質(zhì)突然穿越到另一種具有不同光學(xué)特性（如不同介電常數(shù)）的介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的輻射。上述兩種輻射的能量損失與電離損失相比占的比例很小，特別是低能的粒子，完全可以不考慮在能量損失之中，但是在高能物理中有很重要的意義。射線與物質(zhì)的相互作用射線和射

26、線兩種射線性質(zhì)大致相同，是不帶電波長(zhǎng)短的電磁波，一般統(tǒng)稱為光子。射線對(duì)物質(zhì)的電離作用：兩步作用三種作用效應(yīng)三種作用效應(yīng) 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 產(chǎn)生次級(jí)電子產(chǎn)生次級(jí)電子電離效應(yīng)電離效應(yīng)次級(jí)電子使次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離物質(zhì)原子電離射線射線初級(jí)作用初級(jí)作用次級(jí)作用次級(jí)作用光電效應(yīng)定義：光子與原子的一個(gè)束縛電子相互作用，并將自身所有能量轉(zhuǎn)移給此束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失。光電子打出后，在其原來(lái)的殼層產(chǎn)生一個(gè)空穴，并且原子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定，退激的過(guò)程有兩種：1）特征特征X射線（產(chǎn)額與射線（產(chǎn)額與Z有關(guān)）有關(guān)）2）俄歇電子俄歇電子光電子的

27、能量E=h -BeE光電子的動(dòng)能；h入射光子的能量；EB電子的束縛能。結(jié)論：光子的能量必須大于殼層電子的能量才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。1.K層和L層發(fā)生光電效應(yīng)的幾率最大。如果入射光子的能量大于K層電子的結(jié)合能，則K層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率約為80%；光電效應(yīng)的截面截面:一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子相互作用的概率。法定單位：cm2和m2。常用單位：靶，用b表示。1b=10-24cm2xINI光電截面ph 對(duì)于K殼層電子，發(fā)生光電效應(yīng)的截面光電效應(yīng)的截面為： 其中，C1、C2為常數(shù)。上式表明：u與光子的能量與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，與物質(zhì)所處的化學(xué)物理狀態(tài)無(wú)關(guān)u低能光子與高原子序數(shù)的物質(zhì)發(fā)生相互作

28、用時(shí)，低能光子與高原子序數(shù)的物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)2522527100)1()1(cmhZhCcmhZhCkk光電子的角分布光電子的角分布與光子的能量有關(guān)。光子能量很低時(shí)，光電子與入射光子成900角射出的幾率最大。隨著光子能量的增加，光電子的分布逐漸傾向于前方?？灯疹D效應(yīng)能量為h的光子與原子內(nèi)一個(gè)軌道電子相互作用時(shí)，光子交給軌道電子部分能量后，其頻率發(fā)生改變并與入射方向成角散射（康普頓散射光子），獲得足夠能量的軌道電子與光子入射角成 角方向射出（康普頓反沖電子）。此種效應(yīng)稱康普頓效應(yīng)?？灯疹D散射截面u在光子能量很低時(shí)，康普頓散射截面在光子能量很低時(shí)，康普頓散射截面與光

29、子能量無(wú)關(guān)，僅與與光子能量無(wú)關(guān)，僅與Z成正比，但當(dāng)成正比，但當(dāng)光子能量較高時(shí)，截面與光子能量較高時(shí)，截面與Z成正比，近成正比，近似地與光子能量成反比。似地與光子能量成反比。u 當(dāng)入射光子能量增加時(shí)，康普頓散射截面下降，但下降速度比光電截面來(lái)得慢。)()212(ln)0(2020202020,cmhcmhhcmrZhrZZecc電子對(duì)效應(yīng)當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，受核庫(kù)侖場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，而光子本身消失，此種過(guò)程稱為電子對(duì)效應(yīng)。原子核場(chǎng)：能量大于1.02MeV，發(fā)生幾率大；電子場(chǎng) ：能量大于2.04MeV，發(fā)生幾率很小。電子對(duì)效應(yīng)截面1）能量較低時(shí)，）能量較低時(shí)，p隨隨E線性

30、線性 增加，高能時(shí)，增加，高能時(shí)， p與光子與光子 能量的變化就緩慢一些；能量的變化就緩慢一些；2）無(wú)論高能低能，都有）無(wú)論高能低能，都有 關(guān)系。關(guān)系。)ln)2202202cmhEZcmhEZp稍大于2Zp 小結(jié)1）三種效應(yīng)發(fā)生的幾率都隨）三種效應(yīng)發(fā)生的幾率都隨Z值增大而值增大而增大，因此高原子序數(shù)的物質(zhì)對(duì)光子增大，因此高原子序數(shù)的物質(zhì)對(duì)光子具有更好的阻擋作用，這也是具有更好的阻擋作用，這也是NaI探測(cè)探測(cè)器探測(cè)效率比器探測(cè)效率比HPGe高的原因高的原因2）三者隨）三者隨E的變化不盡相同，的變化不盡相同， k、c都都隨隨E增加而降低，但增加而降低，但k降低的速度要比降低的速度要比c快的多，快

31、的多， p隨隨E的增加而增長(zhǎng)的增加而增長(zhǎng)X、射線與物質(zhì)的相互作用X、射線是一種比紫外線的波長(zhǎng)短得多的電磁波，它與物質(zhì)相互作用時(shí)，能產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子（主要是電子）和次級(jí)光子，通過(guò)這些次級(jí)帶電粒子的電離、激發(fā)把能量傳遞給物質(zhì)；X、射線與物質(zhì)相互作用， 不是通過(guò)多次小能量的損失逐漸消耗其能量，而是在一次作用過(guò)程中就可能損失大部分或全部能量；在0.110MeV能量范圍內(nèi)，主要的作用過(guò)程是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)；X、射線在物質(zhì)中不存在射程的概念。中子與物質(zhì)的相互作用中子的種類中子與物質(zhì)相互作用的類型作用特點(diǎn)中子的分類類別能量 (eV)能量 (eV)慢中子0103210-3冷中子0.025熱中子

32、0.5超熱中子11000共振中子中能中子1035105快中子5 105107非?？熘凶?075107超快中子5 1071010相對(duì)論中子1010作用類型散射（彈性散射和非彈性散射）、吸收彈性散射：快中子與輕介質(zhì)的相互作用非彈性散射：快中子與重介質(zhì)的相互作用吸收：中子被原子核吸收后，產(chǎn)生其他種類的次級(jí)粒子，只有慢中子才能被有效吸收。包括輻射俘獲、核裂變、（n，）、（n，p）反應(yīng)等。作用特點(diǎn)中子不與原子核外層電子發(fā)生作用 彈性散射：運(yùn)動(dòng)方向改變非彈性散射：中子的一部分能量使核激發(fā)、產(chǎn)生光子中子不帶電不能直接使原子電離但中子容易進(jìn)入原子核內(nèi)同原子核發(fā)生作用引起核反應(yīng)穿透力強(qiáng)彈性散射中子與物質(zhì)中原子核

33、碰撞時(shí)把部分能量傳給原子核，帶有能量的原子核脫出原子,此原子核稱反沖核，而中子本身帶著較低能量改變運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)行進(jìn)成中子散射，這種現(xiàn)象稱彈性碰撞。帶電荷的反沖核獲得能量后，在其運(yùn)動(dòng)途中可引起物質(zhì)電離和激發(fā)。在彈性散射過(guò)程中，由于散射后靶核的內(nèi)能沒(méi)有變化，它仍保持在基態(tài)，散射前后中子靶核系統(tǒng)的動(dòng)能和動(dòng)量守恒。在熱中子反應(yīng)堆中，中子從高能慢化到低能起主要作用的是彈性散射。nXnXnXXnXAZAZAZAZAZ101010*110)( 與 H 原子核的彈性碰撞傳遞能量傳遞能量 質(zhì)子跑出來(lái)質(zhì)子跑出來(lái) 中子被慢化中子被慢化 n + H n + p n + H n + p 第一步第一步 打出質(zhì)子（載能）打

34、出質(zhì)子（載能） 第二步第二步 質(zhì)子引起物質(zhì)電離質(zhì)子引起物質(zhì)電離 慢化劑慢化劑: : 輕水輕水( (1 1H H2 2O)O) 重水重水( (2 2D D2 2O)O)Hnnp電離電離中子的慢化快中子減速成為較低能量的種子的過(guò)程稱為中子的慢化。,每次碰撞的平均對(duì)數(shù)損失元素1H2H7Li9Be12C16O238U1.000.725 0.268 0.209 0.158 0.1208.3810-3N1825678611415021722MeV的中子在不同物質(zhì)中減速到熱能(Ef=0.025eV)的參數(shù)322AM輕元素（氫）可以作為快中子的良好減速劑；在中子的防護(hù)中，常用含氫物質(zhì)和原子量小的物質(zhì)（水、聚乙

35、烯、石蠟、石墨、氫化鋰）作為快中子的減速劑。非彈性散射快中子沖入物質(zhì)原子核內(nèi)，把部分能量傳給原子核，使核處于激發(fā)態(tài)，中子帶著剩余的能量從核內(nèi)飛出，激發(fā)態(tài)核從中子得到能量以 光子的形式釋出，原子核回到基態(tài)，這種現(xiàn)象稱為非彈性碰撞。非彈性碰撞中，入射中子的一部分（通常為絕大部分）動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靶核的內(nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后靶核通過(guò)發(fā)射射線又反射回到基態(tài)。散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，但動(dòng)能不守恒。只有入射中子的動(dòng)能高于靶核的第一激發(fā)態(tài)的能量時(shí)才能使靶核激發(fā)，即只有入射中子的能量高于某一數(shù)值時(shí)才能發(fā)生非彈性散射，非彈性散射具有閾能的特點(diǎn)。這種作用這種作用形式在快中子堆中比較常見(jiàn)。形式在快中子堆中比較常見(jiàn)。nXXnXAZAZAZ10*110)()( 中子的吸收中子吸收反應(yīng)的重要特點(diǎn)是中子消失，是反應(yīng)堆中影響中子平衡的重要因素。 1）輻射俘獲（n，）發(fā)生在中子的所有能區(qū)，但低能中子與中等質(zhì)量核、重核作用易于發(fā)生這種反應(yīng)，此反應(yīng)往往伴隨較高的放射性。2）發(fā)射帶電粒子核反應(yīng) 3）核裂變 反應(yīng)堆內(nèi)最重要的核反應(yīng)，233U、 235U、 239Pu和 241Pu在各種能量中子作用下均能發(fā)生裂變，且低能中子作用下裂變可能性較大，稱為易裂變同位素，而232Th、238U、240Pu等只有在中子能量高于某一閾值時(shí)才能發(fā)生裂變，稱作可裂變同位素。 常見(jiàn)的核裂變反應(yīng)：