4光子与物质相互作用.pptVIP

光 波动性 粒子性 在这一章，我们将讲授具有能量E的光子与原子序数为Z的靶的相互作用。我们将光子的能量范围限制在100eV-1GeV之内，因此，主要的相互作用过程是：相干（Rayleigh）散射、非相干（Compton）散射、光电效应以及电子对效应。 对于离子和电子，能量的传递主要是通过靶物质的电离。当它们通过介质时，会产生相当数量的二次电子和初级离子。而对于X射线或γ射线，电离几乎都是通过二次效应产生的。这也就是说，当X射线或γ射线与物质相互作用时，只会产生少量的初级离子。介质的电离是由这些初级离子造成的。 从辐射的角度讲，α和β粒子称为直接电离辐射，因为沿着它们的路径，直接产生离子。而对于光子（ X射线或γ射线）则称作间接电离辐射，因为大多数电离产生于光子的相互作用之后。电子是在光子发生相互作用而损失了其能量之后产生的。 一、相干（Rayleigh）散射 相干或者Rayleigh散射是指在此相互作用过程中，入射光子被束缚电子散射而不引起靶原子的激发，即入射光子与散射光子的能量相等。所谓“相干”是指来自原子的电荷分布的不同部分发出的次波相互干涉。 对于相干散射，单位立体角的原子的微分截面近似为： 这里 是经典Thomson微分截面，θ是散射角，F（q,Z）是原子形成因子。q是动量传递的幅度，有 对于球对称的原子，原子的形成因子可由原子电荷分布ρ(r)的傅立叶变化表示为 （10－1－3） F(q,Z)是q的单调变化函数。F(0,Z)=Z, F(∞,Z)=0。精确的形成因子可以来自Hartree－Fock的原子结构计算。这里我们就不多说了。 总的相干散射截面为： （10－1－4） 对于低能光子，F(q,Z)在被积函数中接近F(0,Z)=Z，即相干散射退化为纯Thomson散射。因此有， （10－1－5） 在高能极限，有， （10－1－6） 这里所谓的高能是指光子能量在(Z/2)MeV量级。 二、光电效应 在Planck的概念中，每一个X射线或γ射线是一个具有能量E＝hν的光子。光子在发生相互作用前一直保有其能量。这样的光子可能与靶原子轨道电子发生作用。在发生光电效应时，光子付出了它的全部能量。 入射光子的能量部分用于将电子从原子势场中移出，这就是功函数Ф。其余的光子能量就作为逸出电子的动能。这样的荷能电子会在运动过程中诱发靶物质的激发和电离。入射光子与逸出电子间的能量关系为 （10－2－1） 这里Ek就是光子传递给电子的动能。 对于能量较低（小于1MeV）的光子，光电效应是重要的。但是光子能量必须大于Ф，光电效应才能发生。当能量低时，光子主要与靶原子外壳层的电子作用；当能量增加后，越来越多的内壳层电子逸出。另外，对于Z大的靶，光电效应更容易发生。 1、光电截面 发生光电效应的截面σph称为光电截面，它表示一个入射光子与单位面积上的一个靶原子发生光电效应的概率，它与靶物质的原子序数Z及入射光子的能量hν有关，而与物质所处的化学和物理状态无关。光电截面的计算公式可根据量子力学推出。在非相对论情况下，即光子的能量hνm0c2且hνBk时，K层电子的光电截面σph,k为： （10－2－2） 其中 （10－2－3） 为Thomson散射截面。 在相对论极限下，即hνm0c2时，有 （10－2－4） σph,k与Z5成正比，即靶物质原子序数Z大的光电截面大。因