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放射物理学课件

§1带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质相互作用的主要方式作用的主要方式：（1）与原子核外电子发生非弹性碰撞；（2）与原子核发生非弹性碰撞；（3）与原子核发生弹性碰撞；（4）与原子核发生核反应。

（一）带电粒子与核外电子的非弹性碰撞当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时，入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。

电离如果轨道电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离原子成为自由电子。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称为电子离子对，这样一个过程就称为电离。激发如果轨道电子获得的能量比较小，还不足以使它摆脱原子核的束缚而成为自由电子，但是却可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时放出特征X射线或俄歇电子。

如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离和激发而损失的能量称为碰撞损失或电离损失。

描述电离（碰撞）损失的两个物理量：线性碰撞阻止本领（linearcollisionstoppingpower）入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量J.m-1。用S或表示col质量碰撞阻止本领（masscollisionstoppingpower）：线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度。用或表示

电离损失与入射粒子的能量、电荷数及靶物质的每克电子数之间的关系1、重带电粒子质量碰撞阻止本领表达式：壳修正项电子的经典半径入射粒子速度与光速之比靶物质的每克电子数带电粒子的电荷数电子的静止质量靶物质原子的平均激发能结论：（1）近似与重带电粒子的能量成反比，这是因为带电粒子速度越慢，与轨道电子相互作用的时间越长，轨道电子获得的能量就越大；（2）与靶物质的每克电子数成正比；（3）与重带电粒子的电荷数平方成正比。

2、电子质量碰撞阻止本领表达式：质量小，碰撞后入射电子能量损失大，方向会有较大改变即使在能量很低时也需要考虑相对论效应结论：（1）电离损失也和物质的每克电子数成正比；（2）电离损失与入射电子能量的关系较复杂：低能时，公式中方括号外的项起决定作用，电离损失近似与电子能量成反比；高能时，方括号外的项近似不变，而方括号内的项随能量缓慢增加，因而高能时电离损失随能量缓慢增加；当电子能量约为1MeV时，电离损失最小。

由于铅的每克电子数小于碳的每克电子数，且铅原子的平均激发能比碳原子的平均激发能高，所以铅的电离损失小于碳的电离损失。

（二）带电粒子与原子核的非弹性碰撞当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场作用下，运动方向和速度发生变化，此时带电粒子的一部分动能就变成具连续能谱的X射线辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。描述辐射损失的两个物理量：射阻止本：射阻止本：或或

辐射损失与入射粒子及靶物质部分物理量之间的关系关系式：结论：（1）与入射带电粒子的质量m的平方成反比，重带电粒子的轫致辐射引起的能量损失可以忽略；（2）与Z成物质大；（3）与粒子的能量成正比，这与电离损失的情况不同。2正比，说明在重元素物质中的韧致辐射损失比轻元素

（三）带电粒子与原子核的弹性碰撞当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒子的运动方向和速度发生变化，但不辐射光子，也不激发原子核，它满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。当带电粒子能量较低时，才有明显的弹性碰撞。重带电粒子由于质量比较大，与原子核发生弹性碰撞时运动方向改变小，散射现象不明显，因此它在物质中的径迹比较直。电子质量很小，与原子核发生弹性碰撞时，运动方向改变可以很大，而且还会与轨道电子发生弹性碰撞，因此它在物质中的径迹很曲折。

（四）带电粒子与原子核发生核反应当一个重带电粒子具有足够高的能量（约100MeV），并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将会在一个内部级联过程中离开原子核，其飞行方向主要倾向于粒子的入射方向。失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”（主要是一些能量较低的核子）和γ射线而退激。

当核反应发生时，入射粒子的一部分动能被中子和γ射线带走，而不是以原子激发和电离的形式被局部吸收，这将影响吸收剂量的空间分布。对于质子束，如果在计算剂量时未考虑核反应，计算值将会偏高1％～2％。对于电子束，核反应的贡献相对于韧致辐射的贡献完全可以忽略。其它一些作用方式：湮没辐射、契伦科夫辐射。

二、几个基本概念1、量阻止本（totalmassstopping