28（工硕）辐射物理基础（工物底）.pptVIP

工硕班 辐射物理基础 一、射线与物质相互作用 （二） X、γ射线与物质的相互作用 1 . 概述 带电粒子的种类和物理性质 电离辐射与物质相互作用，引起物质的某些物理、化学、生物效应，几乎都是通过带电粒子把能量传递给物质所引起的。即使是在间接电离辐射与物质相互作用，例如X射线、射线、中子等，最终也是通过它们在相互作用过程中产生的带电粒子来实现能量的传递。 在一般情况下，带电粒子贯穿物质时，主要受到物质中原子核和电子的电磁作用。这种作用使运动着的带电粒子改变方向和损失能量，前者表现为弹性散射，后者则表现为电离和激发。当电子能量很大时，它的能量主要损失于韧致辐射。此外，快速带电粒子还能产生契伦可夫辐射，高能重带电粒子则可能引起核反应等等。 相互作用方式和能量损失多寡，则取决于带电粒子的电荷、质量和能量，同时也取决于物质的性质。 带电粒子与物质相互作用的过程是复杂的，主要过程有电离和激发，弹性散射和韧致辐射。其他过程有湮没辐射、契伦可夫辐射、核反应以及引起物质化学变化。 1.电离和激发 带电粒子主要通过电离和激发过程损失能量，其次是通过韧致辐射。这两种过程构成了带电粒子在碰撞过程中的能量损失。 当具有一定动能的带电粒子与原子轨道电子发生库伦作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子莸得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离。电离后的原子带正电荷，它与逃出的自由电子合称为离子对。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的，它将通过跃迁到高能级的电子自发地跃迁到低能级而回到基态。多余的能量可以以X射线的形式放出。此种X射线的能量是不连续的，它等于电子跃迁的两能级之差，称之为标识X射线或特征X射线。 由上述电离产生的某些电子，具有足够的动能，能进一步引起物质电离，这些电子称为次级电子或δ射线。由δ射线产生的电离称为间接电离或次级电离。由入射带电粒子与物质直接作用产生的电离称为直接电离或初级电离。 带电粒子在电离和激发过程中的能量损失，是通过带电粒子和轨道电子的库伦碰撞产生的，这称为碰撞过程的能量损失或电离损失。 3.总质量阻止本领 4.弹性散射 当带电粒子与原子核库仑场相互作用时，其运动方向发生改变，而作用前后体系的动能与动量守恒，此过程称为弹性散射。 重带电粒子，例如α粒子，由于质量大，只有当它非常靠近原子核而穿行时，才会发生明显的散射。一般说来，重带电粒子发生弹性散射的几率小，散射现象不明显。因此，象α粒子这样的重粒子，在物质中的径迹是比较直的。 电子（或β射线）的质量小，它不仅受到原子核的散射，而且还受到电子的散射。即使电子从离原子核较远的地方掠过，也会发生弹性散射。多次弹性散射的结果，使电子在物质中的运动方向发生多次改变。 弹性散射 5. 核反应 ?高能带电粒子与原子核发生核相互作用 ?几MeV的质子，可发生（p，n）、（p，d）；能量更高时，（ p，2p）、（p，np） 6.湮没辐射与契伦科夫辐射 带电粒子在物质中的射程 带电粒子在与物质相互作用的过程中，逐渐耗尽其动能，最后阻留在物质中被物质吸收。带电粒子在某种物质中沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最大直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。射程的长短与粒子的种类、初始能量及吸收物质的性质有关。 例：为了不使来自90Sr-90Y的?射线通过，用有机玻璃（1.18 g/cm3）需要多厚？用铝（2.7g/cm3）需要多厚？ （二） X、γ射线与物质的相互作用 致电离电磁辐射与物质的相互作用和带电粒子与物质相互作用有很大不同。辐射光子不带电，不存在与核外电子间的库仑作用力，不能像带电粒子那样通过不断地与核外电子作用，产生电离与激发而不断地损失能量。对于辐射光子与物质的相互作用不可能用比电离损失（或能量损伤率）［-dE/dl］来描写其能量损失过程。同样，射程与最大吸收厚度对于辐射光子也是没有意义的。 γ射线（或其它辐射光子）与物质的相互作用是一种单次性的随机事件。就各个辐射光子而言，它们穿过物质时只有两种可能：要么发生作用后消失或转换成另一能量与运动方向的光子，要么不发生任何作用而穿过。一旦发生作用，入射光子的全部或部分能量就转换为产生的次级电子的能量。就单个入射光子而言，不存在像带电粒那样的连续不断地损失能量的过程。 1. 概述 在光电吸收过程中，入射光子在与吸收物质原子的相互作用