第五章 射線與物質(zhì)的相互作用

1、11重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用；快速電子與物質(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。第五章射線與物質(zhì)的相互作用具有一定動(dòng)能的射線會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用。2一電離輻射的種類二彈性碰撞和非彈性碰撞三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化5.1 概述3帶電粒子輻射),(tdp重帶電粒子輻射)(e快速電子非帶電粒子輻射),(x電磁輻射中子 電離輻射：能量大于10eV量級(jí)的射線。一電離輻射的種類4 相互作用過程中，滿足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 當(dāng)E = 0時(shí)，彈性碰撞； 當(dāng)E 0時(shí)，非彈性碰撞； E 0時(shí)，與基態(tài)原子碰撞，原子被激發(fā)； E 0時(shí)，與激發(fā)態(tài)原子碰撞。二彈性

2、碰撞和非彈性碰撞 帶電粒子通過庫侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。5從微觀上看：碰撞機(jī)制： 與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。碰撞后： 入射粒子能量損失； 或能量、方向改變后出射； 或入射粒子消失，產(chǎn)生新粒子。從宏觀上看： 不管作用機(jī)制如何，穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度比入射強(qiáng)度減小。6 入射帶電粒子所帶電荷與原子中核外電子、原子核發(fā)生的庫侖相互作用。 入射帶電粒子在相互作用過程中逐漸慢化。 在入射帶電粒子與電子的一次碰撞中，靶原子的電子獲得的動(dòng)能只占入射離子動(dòng)能的很小的一部分。 質(zhì)子入射時(shí)：0max5001EE三帶電粒子在物質(zhì)中的慢化71、帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞 核外電

3、子獲得能量，引起電離或激發(fā)。電離：產(chǎn)生自由電子、正離子，主要在最外層電子。 激發(fā)：電子躍遷，原子處于激發(fā)態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是帶電粒子在物質(zhì)中損失動(dòng)能的主要方式。8當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失其能量，我們稱它為電離損失電離損失。2、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 入射帶電粒子速度和方向發(fā)生變化，同時(shí)發(fā)射電磁輻射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動(dòng)能的一種重要方式。 當(dāng)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為輻射損失。93、帶電粒子與靶原子核的彈性散射帶電粒子與靶原子核的彈性散射 入射粒

4、子不輻射光子，不激發(fā)原子核，方向偏轉(zhuǎn)； 入射粒子損失一部分動(dòng)能，靶核得到反沖。 叫做核碰撞損失，核阻止； 主要對(duì)低能重離子入射。4、帶電粒子與核外電子的彈性散射帶電粒子與核外電子的彈性散射 與電子的庫侖作用，使入射粒子方向偏轉(zhuǎn)； 入射粒子損失一部分動(dòng)能，但能量轉(zhuǎn)移很小，電子能量狀態(tài)不發(fā)生改變。 100eV以下的粒子才需考慮。10一重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失二重帶電粒子的射程5.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 與核外電子的非彈性碰撞； 與原子核的非彈性碰撞。11一重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失1. 能量損失率： 入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程損失的能量。dxdES 有：電離損失率，輻射損失率。

5、radiondxdEdxdEdxdE所以，也叫線性阻止本領(lǐng)。12Bethe 公式(Bethe formula)Bethe公式是描寫電離能量損失率Sion與帶電粒子速度v、電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公式經(jīng)典公式。公式推導(dǎo)的簡化條件： 1.入射粒子與“自由電子”發(fā)生碰撞； (入射粒子的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子的結(jié)合能) 2.入射粒子與“靜止”電子發(fā)生碰撞； (入射粒子的速度遠(yuǎn)大于軌道電子的運(yùn)動(dòng)速度) 3.入射粒子的電荷態(tài)是確定的, 碰撞后入射粒子仍按原方向 運(yùn)動(dòng)。 (碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身能量小得多, 入射粒子方向幾乎不變)13電子碰撞能量損失率的近似表達(dá)式為：NBvmezdxdEion2042421

6、202lnIvmZB其中：按量子理論推導(dǎo)出的公式(非相對(duì)論)也可以表示為IvmZB202ln只是：通過以上假設(shè)可以得到重帶電粒子與單個(gè)電子的碰撞情況：14Bethe-Block公式： 根據(jù)量子理論，并考慮了相對(duì)論修正幾點(diǎn)討論：NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)11ln(2ln例如，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，只與電荷與速度有關(guān)。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm4、S與v2的關(guān)系152、S與入射粒子的電荷平方z2成正比)()(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p與，S=4Sp 。3、

7、S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比NZS Z v2較大，對(duì)數(shù)項(xiàng)增大，S上升 ； v2較小，S 1/v2 ； v2很小，電荷交換效應(yīng)，俘獲； v2極小，核阻止作用。16二重帶電粒子的射程射程R ： 帶電粒子在物質(zhì)中沿初始入射方向行進(jìn)的最大距離。路程： 帶電粒子在物質(zhì)中實(shí)際經(jīng)過的軌跡。 對(duì)重帶電粒子，射程=路程； 對(duì)輕帶電粒子，射程1.022MeV)時(shí)，當(dāng)它從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在核庫侖場的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)電子的過程。1、能量關(guān)系 從能量守恒：202cmEEhee202cmh電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的條件：)2(0,20cmhEEee電子動(dòng)能范圍：三電子對(duì)效應(yīng)432、電子對(duì)效應(yīng)必須在有原子核參

8、加時(shí)才能發(fā)生。 電子對(duì)效應(yīng)除涉及入射光子與電子對(duì)以外，必須有第三者原子核 的參與，否則不能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。電子對(duì)效應(yīng)要求入射光 子的能量必須大于1.022MeV。 原子核帶走多余的動(dòng)量，又不帶走過多的動(dòng)能。正負(fù)電子來自何方？正負(fù)電子來自何方？ 不是從原子核中釋放的；也不是來自原子中的電子軌道；是射線轉(zhuǎn)化而來，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。3、電子對(duì)效應(yīng)的截面當(dāng)： 稍大于 時(shí)：h202cmEZp2當(dāng)： 時(shí)：202cmhv EZpln2電子對(duì)效應(yīng)截面隨Z的增加而增加，也隨入射粒子的能量的增加而增加。44小結(jié)：5Zph27)(hphZc2Zp1)(hh0)(hc1)(hhhp)ln(hh 低能、高Z，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；光 電效 應(yīng)康普頓散 射電子對(duì)效 應(yīng) 高能、高Z，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢； 中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢。4546能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。EEEE能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。四射線的吸收47EE能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。EEEE能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。能量不變；強(qiáng)度改變；無射程概念。四射線的吸收481、射線通過物質(zhì)時(shí)的吸收 一束準(zhǔn)直射線，初始強(qiáng)度I0 ，在厚度t處經(jīng)過dt時(shí)強(qiáng)度變化：利用初始條件t = 0時(shí)，0)0(II解得：teItI0)(492、