第二章 射線及物質(zhì)的相互作用liu

1、Radiation Interactions with Matter2.1 概述概述1、什么是射線？、什么是射線？2 2、射線與物質(zhì)相互作用的分類、射線與物質(zhì)相互作用的分類3 3、彈性碰撞與非彈性碰撞、彈性碰撞與非彈性碰撞4 4、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化：電離、輻射、彈性碰撞、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化：電離、輻射、彈性碰撞2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律3、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程4、重帶電粒子在薄吸收體中

2、的能量損失、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失5、裂變碎片的能量損失、裂變碎片的能量損失2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)的相互作用1 1、快電子的能量損失率、快電子的能量損失率2 2、快電子的吸收與射程、快電子的吸收與射程3 3、正電子的湮沒、正電子的湮沒2.4 射線射線與物質(zhì)的相互作用與物質(zhì)的相互作用1 1、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)Photoelectric EffectPhotoelectric Effect2 2、康普頓效應(yīng)、康普頓效應(yīng) Compton EffectCompton Effect3 3、電子對效應(yīng)、電子對效應(yīng) Pair ProductionPair Production2

3、.1 概述概述1、什么是射線？、什么是射線？射線射線，指的是如，指的是如X射線、射線、 射線、射線、 射射線、線、 射線等，本質(zhì)都是射線等，本質(zhì)都是輻射粒子。輻射粒子。射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測的基射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測的基礎(chǔ)，也是認識微觀世界的基本手段。礎(chǔ)，也是認識微觀世界的基本手段。 本課程討論對象為本課程討論對象為致電離輻射致電離輻射，輻射，輻射能量能量大于大于1010eV。即可使探測介質(zhì)的原。即可使探測介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。子發(fā)生電離的能量。 2 2、射線與物質(zhì)相互作用的分類、射線與物質(zhì)相互作用的分類Charged Particulate Radiations(帶電粒子輻射

4、帶電粒子輻射)Uncharged adiations（非帶電粒子輻射）（非帶電粒子輻射）Heavy charged particles （重粒子輻射）（重粒子輻射） NeutronsFast electrons （快電子）（快電子）fTdp, e 質(zhì)量為一個或多個原子質(zhì)量單位，具有相當能量的各種粒子，一般帶正電。包括核衰變中發(fā)射的正負 粒子。以及其他過程產(chǎn)生的具有相當能量的電子。 特征gama射線：核反應(yīng)過程中發(fā)射。湮滅輻射：物質(zhì)與反物質(zhì)之間的湮滅過程中產(chǎn)生的電磁輻射。特征X射線：由處于激發(fā)態(tài)的原子退激時發(fā)出的電磁輻射。韌致輻射：帶電粒子在庫侖場中進行慢化過程所產(chǎn)生的電磁輻射。由核反應(yīng)等過程所

5、產(chǎn)生的不帶電粒子，與質(zhì)子的質(zhì)量相當3 3、彈性碰撞與非彈性碰撞、彈性碰撞與非彈性碰撞EMVmvMVmv 222221212121E 為內(nèi)能項 0 E彈性碰撞彈性碰撞（即動能守恒）（即動能守恒） 0 E非彈性碰撞非彈性碰撞（即動能不守恒）（即動能不守恒） 0 E為為第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞，如入射粒子與，如入射粒子與處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)；處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)； 0 E為為第二類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞，如入射粒子與，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的核碰撞，且使其退激。處于激發(fā)態(tài)的核碰撞，且使其退激。 4 4、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化（能量損失，相互作用

6、）（能量損失，相互作用） 載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程慢化過程，可分為可分為四種四種，其中前兩種是主要的：，其中前兩種是主要的：(a)(a) 電離損失電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過程。子中核外電子的非彈性碰撞過程。 (b)(b) 輻射損失輻射損失帶電粒子與靶原子核帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。的非彈性碰撞過程。(c) (c) 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(d) (d) 帶電粒子與核外電子彈性碰撞帶電粒子與核外電子彈性碰撞帶電粒子與物質(zhì)的相互作用機制 電電 離離 電離能量損失電離能量損失 輻輻

7、射射 輻射能量損失輻射能量損失 彈性碰撞彈性碰撞 碰撞能量損失碰撞能量損失(1)(1)電離損失電離損失與核外電子的非彈性碰撞過程與核外電子的非彈性碰撞過程 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用庫侖作用，使電子獲得能量而引起使電子獲得能量而引起原子的原子的電離電離或或激發(fā)激發(fā)。 電離電離核外層電子克服核外層電子克服束縛成為束縛成為自由電子自由電子，原子，原子成為正離子。成為正離子。激發(fā)激發(fā)使核外層電子由低使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子能級躍遷到高能級而使原子處于處于激發(fā)狀態(tài)激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。，退激發(fā)光。當當入射帶電粒子入射帶電粒子與與核外電子核

8、外電子發(fā)生發(fā)生非彈性碰非彈性碰撞撞，以使靶物質(zhì)原子，以使靶物質(zhì)原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)的方式而的方式而損失其能量，我們稱它為損失其能量，我們稱它為電離損失電離損失。(2)(2)、輻射損失、輻射損失與原子核的非彈性碰撞過程與原子核的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與入射帶電粒子與原子核原子核之間的之間的庫侖力作用庫侖力作用，使入，使入射帶電粒子的射帶電粒子的速度速度和和方向方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射電磁輻射軔致輻射軔致輻射Bremsstrahlung。當當入射帶電粒子入射帶電粒子與與原子核原子核發(fā)生發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞時，時，以以輻射光子輻射光子損失其能量，我們稱它為損失

9、其能量，我們稱它為輻射損輻射損失失。尤其尤其對對粒子粒子與物質(zhì)相互作用時，與物質(zhì)相互作用時，輻射損失輻射損失是其是其重要的一種能量損失方式重要的一種能量損失方式。(3)(3)、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帶電粒子與與靶原子核的庫侖場靶原子核的庫侖場作用而發(fā)生彈性散射。作用而發(fā)生彈性散射。彈性散射過程中，入射粒子和原子核的彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動能不變總動能不變，即，即入射粒子入射粒子既不既不輻射光子，輻射光子，也不也不激發(fā)或電離原子核，但入激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運動方向改變運動方向改變。彈性碰撞過程中彈性碰

10、撞過程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動量守恒，動量守恒，入射粒子損失一部分動能使核得到反沖入射粒子損失一部分動能使核得到反沖。碰撞。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉(zhuǎn)后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉(zhuǎn)核碰撞能量損失核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子只是在入射帶電粒子能量很低能量很低或或低速重低速重離子離子入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對電子卻是引起反散射的主要過程。電子卻是引起反散射的主要過程。這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性

11、碰撞彈性碰撞引起引起入射入射粒子的能量損失粒子的能量損失稱之為稱之為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，我們把原子核，我們把原子核對入射粒子的阻止作用稱為對入射粒子的阻止作用稱為核阻止核阻止。(4)(4)、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受受核外電子核外電子的庫侖力作用，入射粒子改變運的庫侖力作用，入射粒子改變運動方向。同樣為動方向。同樣為滿足能量和動量守恒滿足能量和動量守恒，入射，入射粒子要損失一點動能，但這種粒子要損失一點動能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很能量的轉(zhuǎn)移很小小，比比原子中電子的原子中電子的最低激發(fā)能還小最低激發(fā)能還小，電子，電子的能量狀態(tài)沒有變化。實際上，這是的能量狀

12、態(tài)沒有變化。實際上，這是入射粒入射粒子與整個靶原子的相互作用子與整個靶原子的相互作用。這種相互作用方式只是在極低能量這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)(100eV)的的粒子方需考慮粒子方需考慮, , 其它情況下完全可以其它情況下完全可以忽略掉。忽略掉。2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點重帶電粒子重帶電粒子均為均為帶正電荷帶正電荷的的離子離子；重帶電粒子重帶電粒子主要主要通過通過電離損失電離損失而損失而損失能量，同時使介質(zhì)原子能量，同時使介質(zhì)原子電離或激發(fā)電離或激發(fā)； 重帶電粒子在介質(zhì)中的重帶電

13、粒子在介質(zhì)中的運動徑跡運動徑跡近似近似為為直線直線。 Interaction of Heavy Charged Particles2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1) 能量損失率能量損失率(Specific Energy Loss)指指單位路徑單位路徑上引起的上引起的能量損失能量損失，又稱為，又稱為比能比能損失損失或或阻止本領(lǐng)阻止本領(lǐng)(Stopping Power)。 按能量損失作用的不同，能量損失率可分為按能量損失作用的不同，能量損失率可分為“電離能量損失率電離能量損失率”和和“輻射能量損失率輻射能量損失率”。 dxdES radionSSS radio

14、ndxdEdxdE 對對重帶電粒子重帶電粒子，輻射能量損失率輻射能量損失率相比相比小的小的多多，因此，因此重帶電粒子的能量損失率重帶電粒子的能量損失率就就約等于約等于其其電離能量損失率電離能量損失率。ioniondxdESS 2) Bethe 公式公式(Bethe formula) BetheBethe公式是描寫公式是描寫電離能量損失率電離能量損失率Sion與與帶電粒子速度帶電粒子速度v、電荷電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公等關(guān)系的經(jīng)典公式。式。 對對重帶電粒子重帶電粒子，輻射能量損失率輻射能量損失率相比相比小的小的多多，因此，因此重帶電粒子的能量損失率重帶電粒子的能量損失率就就約等于約等于其其電離能量損

15、失率電離能量損失率。ioniondxdESS 2) Bethe 公式公式(Bethe formula) BetheBethe公式是描寫公式是描寫電離能量損失率電離能量損失率Sion與與帶電粒子速度帶電粒子速度v、電荷電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公等關(guān)系的經(jīng)典公式。式。BetheBethe公式的推導(dǎo)公式的推導(dǎo)1) 1) 物質(zhì)原子的電子可看成是物質(zhì)原子的電子可看成是自由的自由的。( (入射粒子的動能遠大于電子的結(jié)合能入射粒子的動能遠大于電子的結(jié)合能) )2) 2) 物質(zhì)原子的電子可看成是物質(zhì)原子的電子可看成是靜止的靜止的。( (入射粒子的速度遠大于軌道電子的運動速入射粒子的速度遠大于軌道電子的運動速度度)

16、)3) 3) 碰撞后碰撞后入射粒子仍按原方向運動入射粒子仍按原方向運動。( (碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身能量小得多能量小得多, ,入射粒子方向幾乎不變?nèi)肷淞Ｗ臃较驇缀醪蛔? )公式推導(dǎo)的簡化條件公式推導(dǎo)的簡化條件：zeM,fxfyfr vbx重帶電粒子與單個電子的碰撞情況：重帶電粒子與單個電子的碰撞情況：電子電子受到的受到的庫侖力庫侖力：222)(rzerezef em ,0該作用過程的時間為該作用過程的時間為： 在在 時間內(nèi)，帶電粒子傳給電子的動量時間內(nèi)，帶電粒子傳給電子的動量 為：為：t P tfP 整個作用過程中整個作用過程中，傳給電子的，傳

17、給電子的總動量總動量為：為： dtfP0zeM,em ,0fxfyfr vbx在在x方向方向，電子獲得的動量為：，電子獲得的動量為：因此因此，有：，有： dtfPPyy dtfPxx0 32sinrbzerbfffy dtrbzePPy32dtdxv vdxdt 3232rdxvbzevdxrbzePPy0 2/3222)(bxdxvbzeP由于：由于：2/122)(bxr 所以：所以： dxbx322)(1 22233coscos dttbbtdttbdx2cos tbbxcos/22 tbxtg 令：令：則：則： 22cos12 tdtb22b bvzeP22 碰撞參量碰撞參量為為b時，時

18、，單個電子單個電子所得所得動量動量為：為：碰撞參數(shù)碰撞參數(shù)為為b時，時，單個電子單個電子所得的所得的動能動能為：為：220420222bvmezmPEb 碰撞參數(shù)碰撞參數(shù)為為b的的電子數(shù)電子數(shù)為：為：dxbdbVZN )2(dxdbbZN 在在dx距離內(nèi)距離內(nèi), ,碰撞參數(shù)碰撞參數(shù)為為b的電子得到的的電子得到的總動能總動能為：為：dxdbbvmeNZzENZdxdbbdEbdbbb 204242)(在在dx距離內(nèi)距離內(nèi), ,物質(zhì)中物質(zhì)中所有電子所有電子得到的得到的總動能總動能( (也就也就是是入射粒子入射粒子在在dx距離內(nèi)距離內(nèi)損失的動能損失的動能) )為：為： maxminmaxmin204

19、24)()(bbbbdbbbiondbdxbvmeNZzdEdE maxmin20424bbionbdbvmeNZzdxdE minmax2042ln4bbvmeNZz顯然，顯然，maxbminb不能為不能為“ ”， 也不能為也不能為“0 0”，否則否則(-dE/dx)(-dE/dx)將為將為 ，是不合理的，是不合理的！maxbminb和和 該如何取值呢？該如何取值呢？可以容易知道，可以容易知道， 對應(yīng)電子獲得對應(yīng)電子獲得最大能量最大能量的的情況，按情況，按經(jīng)典碰撞理論經(jīng)典碰撞理論，重粒子與電子，重粒子與電子對心碰對心碰撞撞時，電子將獲得最大動能，約為時，電子將獲得最大動能，約為minb202

20、vm220422bvmezEb 根據(jù)：根據(jù)：min202bbvm 202minvmzeb 對應(yīng)電子獲得對應(yīng)電子獲得最小能量最小能量的情況，可以由的情況，可以由電子電子在原子中的結(jié)合能在原子中的結(jié)合能來考慮。入射粒子傳給電子的來考慮。入射粒子傳給電子的能量能量必須大于必須大于其其激發(fā)能級值激發(fā)能級值，才能使其，才能使其激發(fā)激發(fā)或或電電離離，否則將不起作用。也就是說，否則將不起作用。也就是說，電子電子只能從入只能從入射粒子處接受大于其激發(fā)能級射粒子處接受大于其激發(fā)能級 的能量的能量。maxbI220422bvmezEb 根據(jù)：根據(jù)：maxbbI 2/102max2 Imvzeb代入代入maxbmi

21、nb和和 ，可得到，可得到電離能量損失率電離能量損失率為：為： minmax2042ln4bbvmeNZzdxdEion對：對：NBvmezIvmvmNZezdxdEion20422/120204242ln4 2/1202ln IvmZB按按量子理論量子理論推導(dǎo)出的公式推導(dǎo)出的公式( (非相對論非相對論) )也可以表示為也可以表示為只是：只是： IvmZB202ln 考慮考慮相對論相對論與與其他修正因子其他修正因子，可得到，可得到重帶重帶電粒子電粒子電離能量損失率電離能量損失率的精確表達式，稱為的精確表達式，稱為Bethe-Block公式公式：NBvmezdxdEion20424 222220

22、1ln2lncvcvIvmZB其中：其中：入射粒子電荷數(shù)入射粒子電荷數(shù)入射粒子速度入射粒子速度靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)平均等效電離電位靶物質(zhì)平均等效電離電位m0為電子靜止質(zhì)量為電子靜止質(zhì)量3) Bethe 公式公式的討論的討論NBvmezdxdESionion20424 (2)(2)、 與與帶電粒子帶電粒子的的電荷電荷z的關(guān)系；的關(guān)系；2zSion (1)(1)、 與帶電粒子的與帶電粒子的質(zhì)量質(zhì)量M無關(guān)無關(guān)，而僅與其，而僅與其速度速度v和和電荷數(shù)電荷數(shù)z有關(guān)有關(guān)。ionS(3)(3)、 與與帶電粒子帶電粒子的的速度速度v的關(guān)系：

23、的關(guān)系：ionS非相對論非相對論情況下，情況下，B隨隨v變化緩慢，近似與變化緩慢，近似與v無關(guān)，則：無關(guān)，則：21vSion E1 (4)(4)、 ，吸收材料吸收材料密度大密度大，原子序數(shù)原子序數(shù)高高的，其阻止本領(lǐng)大。的，其阻止本領(lǐng)大。 NZSion 思考題 射線和物質(zhì)相互作用的幾種方式？及作用過程。 試退BETHER（重粒子和物質(zhì)相互作用的能量損失率）公式，解釋其含義。4) Bragg曲線與能量歧離曲線與能量歧離BraggBragg曲線：曲線：帶電粒子的帶電粒子的能量損失率沿能量損失率沿其徑跡的變化曲線其徑跡的變化曲線。能量歧離能量歧離( (Energy Straggling) )： 單能粒

24、子單能粒子穿穿過一定厚度的物質(zhì)后，將過一定厚度的物質(zhì)后，將不再是單能的不再是單能的，而，而發(fā)生了發(fā)生了能量的離散能量的離散。能量歧離能量歧離是由是由能量能量損失是一個隨機過損失是一個隨機過程程所決定的。所決定的。3、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程1) 1) 射程射程( (Range) )的定義的定義帶電粒子帶電粒子沿入射方向沿入射方向所行徑的所行徑的最大距離最大距離，稱為入射粒子稱為入射粒子在該物質(zhì)中在該物質(zhì)中的的射程射程R。入射粒子在物質(zhì)中行徑的入射粒子在物質(zhì)中行徑的實際軌跡的長實際軌跡的長度度稱作稱作路程路程( (Path) )。路程路程 射程射程重帶電粒子重帶電粒子的

25、的質(zhì)量大質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作，與物質(zhì)原子相互作用時，其用時，其運動方向幾乎不變運動方向幾乎不變。因此，。因此，重帶重帶電粒子電粒子的的射程與其路程相近射程與其路程相近。若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：若已知能量損失率，從原理上可以求出射程：dEdxdEdEdEdxdxREER 00000)/(1dENBezvmRE 0042204非相對論情況：非相對論情況：221MvE MvdvdE dvBvNezMmRv 0034204射程往往通過實驗測定射程往往通過實驗測定：探測器探測器源源0/ II15 . 0tmReRt平均射程平均射程外推射程外推射程入射粒子能量高入射粒子能量高，其射程長

26、其射程長；反之則短。；反之則短。在在某種物質(zhì)中某種物質(zhì)中，確定的，確定的入射重帶電粒子入射重帶電粒子的的射程射程與與粒子能量粒子能量之間存在著之間存在著確定的關(guān)系確定的關(guān)系，常以常以曲線的形式曲線的形式給出。給出。0II0/ II15 . 0tmReR射程歧離：射程歧離：由于由于帶電粒子與物質(zhì)的帶電粒子與物質(zhì)的相互作用是一個隨機過相互作用是一個隨機過程程，因此單能粒子的射，因此單能粒子的射程也是有程也是有漲落的漲落的，稱為，稱為射程歧離射程歧離。對對圖中曲線圖中曲線進行進行微分微分，得到一峰狀分布，得到一峰狀分布，其寬度其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程

27、歧離射程歧離。阻止時間：阻止時間：將帶電粒子將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)阻止在吸收體內(nèi)所需的所需的時間時間。阻止時間阻止時間T粒子射程粒子射程R粒子的平均速度粒子的平均速度v對非相對論粒子對非相對論粒子( (質(zhì)量質(zhì)量M，動能動能E) )：221MvE 222McEcMEv 22McEkckvv EMckcRkvRvRT22 取取k0.60.6EMRTa7102 . 1 單位：秒單位：秒單位：米單位：米單位：單位：u單位：單位：MeV2) 2) 粒子在空氣中的粒子在空氣中的射程射程)(318. 05 . 10cmER E為為 粒子能量，單位為粒子能量，單位為MeVMeV。公式適用范圍：公式適用范圍：

28、MeV733) 3) 相同能量的同一種粒子相同能量的同一種粒子在在不同吸收不同吸收物質(zhì)中物質(zhì)中射程之間的關(guān)系射程之間的關(guān)系BraggKleeman rule: iiiiccdxdENWdxdEN11 iiiiccRAnMR)/(100101 AARR 010011RAAR A為相應(yīng)物質(zhì)的為相應(yīng)物質(zhì)的原子量原子量； 為相應(yīng)物質(zhì)的為相應(yīng)物質(zhì)的密度密度。相同能量的同一種粒子相同能量的同一種粒子在在不同吸收物質(zhì)中不同吸收物質(zhì)中射程射程之間的關(guān)系之間的關(guān)系可用可用一半經(jīng)驗公式一半經(jīng)驗公式描述：描述：多種元素組成的物質(zhì)的多種元素組成的物質(zhì)的原子量原子量怎么計算？怎么計算？定比定律定比定律對由多種元素組成的

29、化合物或混合物，其對由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量等效原子量為：為： kiiieffAnA1化合物或混合物中，第化合物或混合物中，第i種元素的原子百分數(shù)種元素的原子百分數(shù)。對空氣：對空氣：80. 316%2214%780 A330/10226. 1cmg 已知已知 粒子粒子在空氣中的射程在空氣中的射程，可以求得，可以求得 粒子粒子在在其他物質(zhì)中的射程其他物質(zhì)中的射程：airRAR14102 . 3 4) 4) 同一吸收物質(zhì)中同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子不同重帶電粒子的的射程之間射程之間的的關(guān)系。關(guān)系。)()(2vFzMvR 粒子初速度的單值函數(shù)粒子初速度的單值函數(shù)，對于同樣的對于

30、同樣的v值值，不同粒子不同粒子取相同的數(shù)值取相同的數(shù)值。)()(22vRzMzMvRbabbaa baMRzMRz 22定比定律定比定律入射粒子入射粒子的屬性的屬性4、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在帶電粒子在薄吸收體薄吸收體中的中的能量損失能量損失可計算為：可計算為：tdxdEEavg 簡單簡單測厚儀測厚儀原理：原理：0EtE0EtEEnergyRange1R2RE tEI0EtEt5、裂變碎片的能量損失、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大很大質(zhì)量質(zhì)量、很大很大電荷電荷及及相當高相當高能量能量的重帶電

31、粒子。的重帶電粒子。2zSion dxdE很大，射程很短很大，射程很短隨著它在吸收體內(nèi)損耗能量而減小。隨著它在吸收體內(nèi)損耗能量而減小。減小減小2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)相互作用的特點：快電子與物質(zhì)相互作用的特點：Interaction of Fast Electrons 快電子快電子重帶電粒子重帶電粒子快電子的速度大；快電子的速度大；重帶電粒子相對速度小；重帶電粒子相對速度??；快電子除電離損失外，快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略；輻射損失不可忽略；重帶電粒子主要通過電離重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；損失而損失能量；快電子散射嚴重快電子散射嚴重重

32、帶電粒子在介質(zhì)中的運重帶電粒子在介質(zhì)中的運動徑跡近似為直線動徑跡近似為直線1、快電子的能量損失率、快電子的能量損失率對快電子，必須考慮相對論效應(yīng)時的對快電子，必須考慮相對論效應(yīng)時的電離能量損失電離能量損失和和輻射能量損失輻射能量損失。 222222220204)11(81)1()112)(2(ln)1(2ln2 IEvmvmNZedxdEioncv/ radiondxdEdxdEdxdE 電子電子電離能量損失率電離能量損失率的的BetheBethe公式：公式：碰撞損失碰撞損失(Collisional losses)輻射能量損失輻射能量損失：帶電粒子帶電粒子穿過物質(zhì)時受物質(zhì)穿過物質(zhì)時受物質(zhì)原子核

33、原子核的的庫侖作用庫侖作用，其其速度速度和和運動方向運動方向發(fā)生變化，發(fā)生變化，會伴隨發(fā)射會伴隨發(fā)射電磁波，電磁波，即即軔致輻射軔致輻射。輻射能量損失率輻射能量損失率：單位路徑單位路徑上，由于上，由于軔致輻射軔致輻射而損失的能量。而損失的能量。222NZmEzdxdErad 量子電動力學(xué)計算表明，輻射能量損失率服從：量子電動力學(xué)計算表明，輻射能量損失率服從：入射粒子入射粒子的的電荷電荷、能量能量及及質(zhì)量質(zhì)量吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)的的原子序數(shù)原子序數(shù)和和單位體積的原子數(shù)單位體積的原子數(shù)222NZmEzdxdESradrad 討論：討論：(1) (1) ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子靜止質(zhì)量

34、靜止質(zhì)量m的的平方成反比平方成反比。所以僅對電子才重點考慮。所以僅對電子才重點考慮。21mSrad 當要吸收、屏蔽當要吸收、屏蔽射線時，不宜選用重材料。射線時，不宜選用重材料。當要獲得強的當要獲得強的X X射線時，則應(yīng)選用重材料作靶。射線時，則應(yīng)選用重材料作靶。(2) (2) ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子的的能量能量E成成正比正比。即輻射損失率。即輻射損失率隨隨粒子粒子動能動能的的增加而增加增加而增加。ESrad (3) (3) ：輻射損失率輻射損失率與與吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)的的NZ2 2成成正正比比。所以當。所以當吸收材料吸收材料原子序數(shù)大原子序數(shù)大、密度大密度大時，時，輻輻射損失

35、大射損失大。2NZSrad 342ln4137)1(204204cmEcmeZNEZdxdErad對電子對電子，其，其輻射能量損失率輻射能量損失率為為： 700/ZEdxdEdxdEionrad 電子電子的的兩種能量損失率兩種能量損失率之比之比：E的單位為的單位為MeV探測學(xué)中所涉及快電子的能量探測學(xué)中所涉及快電子的能量E 一般一般不超過不超過幾個幾個MeV，所以，所以，輻射能量損失輻射能量損失只有在只有在高原高原子序數(shù)子序數(shù)( (大大Z) )的的吸收材料吸收材料中才是重要的。中才是重要的。2、快電子的吸收與射程、快電子的吸收與射程電子的運動徑跡是電子的運動徑跡是曲折的曲折的。電子的電子的射程

36、射程和和路程路程相差很大。相差很大。電子的電子的射程射程比比路程路程小得多。小得多。1) 1) 單能電子單能電子的吸收與的吸收與粒子粒子吸收的差別吸收的差別由于由于單能電子單能電子和和粒子粒子易易受散射，其吸收衰減規(guī)律受散射，其吸收衰減規(guī)律不同于不同于粒子粒子。但均存在。但均存在最大射程最大射程 Rmax。射程往往通過實驗測定射程往往通過實驗測定：探測器探測器源源0/ II15 . 0tmReRt0II11ttmaxRmaxR e 對對單能電子單能電子，初始能，初始能量相等的電子在各種量相等的電子在各種材料中的材料中的射程射程與與吸收吸收體密度體密度的的乘積乘積近似為近似為常數(shù)常數(shù)：)(max

37、ERRm 質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度表示的射程表示的射程單位為：單位為：2/cmgnmEER412)( Enln0954. 0265. 1 MeVEMeV301. 0 MeVEMeV201 106530)( EERm單能電子單能電子在吸收介質(zhì)中的射程在吸收介質(zhì)中的射程Rm( (mg/cm2 2) )與其能量與其能量E( (MeV) )之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：對對 粒子粒子，當吸收介質(zhì)的厚度遠小于，當吸收介質(zhì)的厚度遠小于 時，時， 粒子的粒子的吸收衰減曲線吸收衰減曲線近似服從近似服從指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律：max RteItI 0)( 為吸收體的為吸收體的吸收系數(shù)吸收系數(shù)t 為為吸收體的吸收

38、體的厚度厚度mmtmeItI 0)( m為吸收體的為吸收體的質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)tm 為為吸收體的吸收體的質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度 ttm / m 射線在射線在鋁鋁中的中的射程：射程：1.38max0.407RE max0.15MeV0.8MeVE 當當 時，時，max0.5420.133RE max0.8MeV3MeVE 當當 時，時，其它典型物質(zhì)中其它典型物質(zhì)中 射線的射程：射線的射程： Ge ：RE max ， (mm, MeV) Al ：R2E max ， (mm, MeV) Air ：R400E max ，(cm, MeV) 對比：對比：4MeV 在空氣中的射程約為在空氣中的射程約為2.

39、5cm。2) 2) 電子的電子的散射散射與與反散射反散射 電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，而不輻射能量的過程稱為動方向，而不輻射能量的過程稱為。由。由于電子質(zhì)量小，因而于電子質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大散射的角度可以很大，而且，而且會發(fā)生會發(fā)生多次散射多次散射，最后偏離原來的運動方向，電，最后偏離原來的運動方向，電子沿其入射方向發(fā)生子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)大角度偏轉(zhuǎn)，稱為，稱為。定義定義反散射系數(shù)反散射系數(shù)：00III 探測器探測器0IICuAlC對對同種材料同種材料，入射電子，入射電子能量越低能量越低，反散射反散射越嚴重越嚴重；對

40、對同樣能量同樣能量的入射電子，的入射電子，原子序數(shù)越高原子序數(shù)越高的材料，的材料，反散射反散射越嚴重越嚴重。對低能電子在高原子序數(shù)的厚樣。對低能電子在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達5050。從實驗曲線看出：從實驗曲線看出：反散射反散射的的利用利用與與避免避免1) 1) 對對放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高源的產(chǎn)額源的產(chǎn)額。2) 2) 對對探測器探測器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的測量偏差測量偏差。0II給源加一個給源加一個高高Z厚襯底厚襯底。使用使用低低Z材料材料作探測器作探測器的入射窗和探測器。的入射窗和探測器。

41、探測器探測器I3、正電子的湮沒、正電子的湮沒 正電子正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機能量損失機制制和電子相同和電子相同。 高速正電子進入物質(zhì)后迅速被高速正電子進入物質(zhì)后迅速被慢化慢化，然后在，然后在正電子徑跡的正電子徑跡的末端末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒湮沒，放出放出 光子光子。 或者，它與一個電子結(jié)合成或者，它與一個電子結(jié)合成正電正電子素子素，即，即電子電子正電子對正電子對的束縛態(tài)，然后再的束縛態(tài)，然后再湮沒湮沒，放出放出 光子光子。正電子的特點是：正電子的特點是： 正電子湮沒放出光子的過程稱為正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射湮沒輻射。 正電子湮沒

42、時放出的光子稱為正電子湮沒時放出的光子稱為湮沒光子湮沒光子。 正電子湮沒時一般放出正電子湮沒時一般放出兩個光子兩個光子，放出，放出三個三個光子光子的概率僅為放出兩個光子概率的的概率僅為放出兩個光子概率的0.370.37。 從從能量守恒能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時，正、負電出發(fā)：在發(fā)生湮沒時，正、負電子的動能為零，所以，子的動能為零，所以，兩個湮沒光子的兩個湮沒光子的總能量總能量應(yīng)應(yīng)等于等于正、負電子的正、負電子的靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量。即：。即：2221cmcmhhee 從從動量守恒動量守恒出發(fā)：出發(fā)：湮沒前湮沒前正、負電子的正、負電子的總動總動量為零量為零，則，則，湮沒后湮沒后兩個湮沒光子的兩個湮沒

43、光子的總動量也總動量也應(yīng)為零應(yīng)為零。即：。即：chch21 因此，兩個因此，兩個湮沒光子湮沒光子的的能量相同能量相同，各等，各等于于0.511MeV。MeVcmhhe511. 0221 而兩個而兩個湮沒光子湮沒光子的發(fā)射的發(fā)射方向相反方向相反，且發(fā)，且發(fā)射是射是各向同性各向同性的。的。Positron511 keV511 keVE = mc2Two photonstravel in exactly oppositedirectionsElectron正電子正電子在材料中在材料中發(fā)生湮沒的概率發(fā)生湮沒的概率：cnrPe2 n材料中的電子密度，單位材料中的電子密度，單位1/1/cm3 3；電子的經(jīng)

44、典半徑，電子的經(jīng)典半徑，er22/cmeree c光速光速)(1052.419 sAZP , ,Z,A 為為材料的材料的密度密度、原子序數(shù)原子序數(shù)和和原子量原子量。正電子壽命正電子壽命 =1/=1/P，固體中固體中 =10-10s，氣體中氣體中 =10-7s2.42.4探測學(xué)中探測學(xué)中 射線含義射線含義電磁輻射電磁輻射 X特征特征 射線：射線：湮沒輻射：湮沒輻射：核能級躍遷核能級躍遷正電子湮沒產(chǎn)生正電子湮沒產(chǎn)生MeVE511. 0 特征特征X射線：射線：原子能級躍遷原子能級躍遷軔致輻射：軔致輻射：帶電粒子速度或運動帶電粒子速度或運動方向改變產(chǎn)生方向改變產(chǎn)生特點：特點： 光子光子是通過是通過次級

45、效應(yīng)次級效應(yīng)( (一種一種“單次性單次性”的的隨機事件隨機事件) )與物質(zhì)的原子或原子核外與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時產(chǎn)生同時產(chǎn)生次電子次電子； 次級效應(yīng)次級效應(yīng)主要的方式有主要的方式有三種三種，即，即光電效光電效應(yīng)應(yīng)、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)和和電子對效應(yīng)。電子對效應(yīng)。 射線射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的定的概率概率，仍用，仍用截面截面這個物理量來表示作這個物理量來表示作用概率的大小。而且，用概率的大小。而且，總截面總截

46、面等于等于各作用各作用截面之和截面之和，即：，即：pcph 總截面總截面光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對效應(yīng)截面電子對效應(yīng)截面1 1、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)Photoelectric EffectPhotoelectric Effect 射線射線( (光子光子) )與物質(zhì)原子中與物質(zhì)原子中束縛電子束縛電子作用，把作用，把全部能量全部能量轉(zhuǎn)移給某個轉(zhuǎn)移給某個束縛電子束縛電子，使之，使之發(fā)射出去發(fā)射出去( (稱為稱為光電子光電子photoelectron) )，而，而光子本身消失光子本身消失的的過程，稱為過程，稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)是是光子光子與與原子整體原

47、子整體相互作用，而相互作用，而不不是是與與自由電子自由電子發(fā)生相互作用。因此，光電效應(yīng)發(fā)生相互作用。因此，光電效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最緊的最緊的 K層電子上。層電子上。 光電效應(yīng)發(fā)生后光電效應(yīng)發(fā)生后，由于原子，由于原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空內(nèi)層電子出現(xiàn)空位位，將發(fā)生發(fā)出，將發(fā)生發(fā)出特征特征X X射線射線或或俄歇電子俄歇電子的過程。的過程。1) 1) 光電子的能量光電子的能量ireEEhv 由由能量守恒能量守恒：iehvE ieE 因此，因此，光電子能量光電子能量為：為：光電效應(yīng)光電效應(yīng)是是光子光子與與原子整體原子整體的相互作用，的相互作用，而而不是不是與與自由電子自由電子的相

48、互作用。否則的相互作用。否則不能不能同時同時滿足滿足能量能量和和動量守恒動量守恒。2) 2) 光電截面光電截面入射光子入射光子與與物質(zhì)原子物質(zhì)原子發(fā)生發(fā)生光電效應(yīng)光電效應(yīng)的的截面截面稱之為稱之為光電截面光電截面。kph 45 k為為k層光電截面層光電截面理論上可給出的光電效應(yīng)截面公式。理論上可給出的光電效應(yīng)截面公式。20cmh 對：對：，即非相對論情況，即非相對論情況 27552042113227 hZZhcmthk，經(jīng)典電子散射截面，又，經(jīng)典電子散射截面，又稱稱ThomsonThomson截面截面。 20cmh 對：對：，即相對論情況，即相對論情況 hZZhcmthk15 . 1552042

49、20238 cmeth KeVh100 對：對：與與吸收限吸收限有關(guān)，在吸收限有關(guān)，在吸收限 ,LK 處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面小結(jié)小結(jié)：對于對于選擇探測器選擇探測器的的材料材料的提示：的提示：對對防護、屏蔽防護、屏蔽 射線射線的提示：的提示：(1) (1) 與吸收材料與吸收材料Z的關(guān)系的關(guān)系5Zph 光子能量越高光子能量越高，光電效應(yīng)截面越小光電效應(yīng)截面越小。(2) (2) 與射線能量的關(guān)系與射線能量的關(guān)系ph hv 采用采用高原子序數(shù)的材料，高原子序數(shù)的材料，可可提高探測效率提高探測效率。采用采用高高Z Z材料材料可以有效阻擋可以有效阻擋 射線射線

50、。+3) 3) 光電子的角分布光電子的角分布光電子的角分布光電子的角分布代表進入平均角度為代表進入平均角度為 方向的方向的單位立體角內(nèi)單位立體角內(nèi)的的光電子數(shù)的比例。光電子數(shù)的比例。相對相對于于入射入射 光子方向光子方向的角度。的角度。 在在不同出射方向不同出射方向光電子的光電子的產(chǎn)額產(chǎn)額是不同的，這種截面對于是不同的，這種截面對于空間的微分，也就是空間的微分，也就是微分截面微分截面。)( 光電子角分布的特點光電子角分布的特點：(1) (1) 在在 0 0 和和 180180 方向方向沒有光沒有光電子電子飛出；飛出；(2) (2) 光電子在光電子在哪一哪一角角度出現(xiàn)最大概率度出現(xiàn)最大概率與與入

51、入射光子能量有關(guān)射光子能量有關(guān)；當；當入射光子入射光子能量低能量低時，時，光電子趨于光電子趨于垂直方向垂直方向發(fā)射發(fā)射，當光子，當光子能量較能量較高高時，光電子趨于時，光電子趨于向向前發(fā)射前發(fā)射。2 2、康普頓效應(yīng)、康普頓效應(yīng) Compton EffectCompton Effect 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)是是 射線射線( (光子光子) )與與核外電子核外電子的的非彈性碰撞非彈性碰撞過程。在作用過程中，入射光子的過程。在作用過程中，入射光子的一部分能量一部分能量轉(zhuǎn)移給轉(zhuǎn)移給電電子子，使它脫離原子成為，使它脫離原子成為反沖電子反沖電子，而光子受到散射，其，而光子受到散射，其運動方向運動方向和和能量

52、能量都都發(fā)生變化，發(fā)生變化，稱為稱為散射光子。散射光子。 康普頓散射康普頓散射可近似為可近似為光子光子與與自由電子自由電子發(fā)生相互作發(fā)生相互作用（用（彈性碰撞彈性碰撞）。康普頓效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合）?？灯疹D效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的的最松的最松的外外層電子上。層電子上。 1) 1) 反沖電子反沖電子與與散射光子散射光子的的能量能量與與散射散射角角及及入射光子入射光子能量能量之間的關(guān)系之間的關(guān)系hvE 光子的能量：光子的能量：201 cmmvPe /hchvP 電子的動能：電子的動能：光子的動量：光子的動量：20220201cmcmcmEEe 電子的動量：電子的動量：相對論關(guān)系：相對論關(guān)系：

53、420222cmcPE cv/ 由由能量守恒能量守恒由由動量守恒動量守恒eEvhhv coscosehvhvPcc sinsinehvPc 可得到：可得到：)cos1()cos1(202 EcmEEe)cos1(120 cmhvhvE2012Ectgtgm c 散射光子能量：散射光子能量：反沖電子能量：反沖電子能量：反沖角：反沖角：小結(jié)：小結(jié)：(1) (1) 散射角散射角 0 0 時，時，hvvh 表明：表明：入射光子從電子旁邊掠過，未受到散入射光子從電子旁邊掠過，未受到散射，光子未發(fā)生變化。射，光子未發(fā)生變化。(2) (2) 散射角散射角 180180 時，時，散射光子能量散射光子能量最小最

54、小，而，而反沖電子能量最大反沖電子能量最大。20min21cmhvhvvh hvcmhvEe2120max, (3) (3) 散射角散射角 在在0 0 180180 之間連續(xù)變之間連續(xù)變化；反沖角化；反沖角 在在9090 0 0 相應(yīng)變化。相應(yīng)變化。2) 2) 康普頓散射截面康普頓散射截面入射光子入射光子與與單個電子單個電子發(fā)生發(fā)生康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)的的截截面面稱之為稱之為康普頓散射截面康普頓散射截面。200,38rthhvec 近似與光子能量成反比。近似與光子能量成反比。20cmhv 2020cmer 20cmhv 212ln202020,cmhvhvcmrec 近似與入射光子能量無關(guān)，為

55、常數(shù)。近似與入射光子能量無關(guān)，為常數(shù)。對對整個原子整個原子的康普頓散射的的康普頓散射的總截面總截面hvhvZZecc2ln, Z 大大，康普頓散射截面，康普頓散射截面大大；入射粒子能量入射粒子能量大大，康普頓散射截，康普頓散射截面面小小。康普頓散射截面與入射光子能量康普頓散射截面與入射光子能量的關(guān)系比光電效應(yīng)要緩和。的關(guān)系比光電效應(yīng)要緩和。其中其中康普頓散射的康普頓散射的微分截面微分截面 ddec)(, 20cmhv 表示表示散射光子散射光子落在某落在某 方向方向單位立體角單位立體角內(nèi)的內(nèi)的概率概率。 cos11cos1cos112cos1cos1112222220,rddec2020cmer

56、 可由可由KleinKleinNihsinaNihsina公式給出：公式給出：微分截面有時也用微分截面有時也用 表示表示 ddec)(, ddec)(, 那么，那么， 和和 什么關(guān)系？什么關(guān)系？ ddec)(, dddsin ddsin2 ddddececsin2)()(, ddec)(sin21, ddddecec)(sin2)(, 3) 3) 反沖電子的反沖電子的角分布角分布和和能量分布能量分布為為反沖電子反沖電子落在落在 方向方向單位立體角內(nèi)單位立體角內(nèi)的的概率。概率。( )eedd ,( )( )sinsinc eeedddddd 為為反沖電子反沖電子落在落在 方向方向單位反沖角內(nèi)單位

57、反沖角內(nèi)的的概率。概率。( )edd ( )( )2 sineeedddd 為為反沖電子反沖電子落在落在Ee處處單位能量間隔單位能量間隔的概的概率。率。( )eeddE ( )( )eeeeddddEddE 反沖電子反沖電子的的能量分布能量分布，即，即反沖電子的能譜反沖電子的能譜。小結(jié)：小結(jié)：(1) (1) 任何一種任何一種單能單能 射線射線產(chǎn)生的產(chǎn)生的反沖電子的動反沖電子的動能能都是都是連續(xù)分布連續(xù)分布的。且存在的。且存在最大反沖電子動能最大反沖電子動能。(2) (2) 在在最大反沖電子動能處最大反沖電子動能處，反沖電子數(shù)目，反沖電子數(shù)目最多最多，在在能量較小處能量較小處，存在一個，存在一個

58、坪坪。)cos1()cos1(202 EcmEEe2012Ectgtgm c 散射光子能量：散射光子能量：反沖電子能量：反沖電子能量：反沖角：反沖角：)cos1(120 cmhvhvE1.1.由康普頓散射后，散射光子和反沖電子的能量、由康普頓散射后，散射光子和反沖電子的能量、反沖角的表達式，解釋其反映的物理問題。反沖角的表達式，解釋其反映的物理問題。2.2.解釋康普頓散射的反沖電子的能譜特點。解釋康普頓散射的反沖電子的能譜特點。3 3、電子對效應(yīng)、電子對效應(yīng) Pair ProductionPair Production 電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)是當是當入射入射 射線射線( (光子光子) )能量能量

59、較高較高( (1.022MeV1.022MeV) )時，當它從時，當它從原子核旁原子核旁經(jīng)過時，在經(jīng)過時，在核核庫侖場庫侖場的作用下，的作用下，入射光子入射光子轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為一個正電子一個正電子和和一個電子一個電子的過程。的過程。 電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)除涉及除涉及入射光子入射光子與與電子對電子對以外，必以外，必須有第三者須有第三者原子核的參與，否則不能同時滿原子核的參與，否則不能同時滿足能量和動量守恒。電子對效應(yīng)要求入射光子的足能量和動量守恒。電子對效應(yīng)要求入射光子的能量必須大于能量必須大于1.022MeV1.022MeV。1) 1) 正負電子的能量正負電子的能量202cmEEhvee 由由能量

60、守恒能量守恒：202cmhvEEee 因此，因此，正負電子的總動能正負電子的總動能為：為：總動能是在總動能是在電子電子和和正電子正電子之間隨機分配之間隨機分配的，都可以從的，都可以從 取值。取值。)2(020cmhv 由由動量守恒動量守恒，電子和正電子應(yīng)沿著入射光，電子和正電子應(yīng)沿著入射光子方向的子方向的前向角度前向角度發(fā)射。發(fā)射。2) 2) 正負電子的運動方向正負電子的運動方向 而且，而且，入射光子的能量越高入射光子的能量越高，正負電子的正負電子的發(fā)射方向越是前傾發(fā)射方向越是前傾。3) 3) 電子對效應(yīng)的截面電子對效應(yīng)的截面 EZp2 202cmhv 當：當： 時：時：電子對效應(yīng)截面電子對效