原子核物理-第五章.pdf

原子核物理 原子核物理 原子核物理 第五章射线与物质相互 第五章射线与物质相互 第五章射线与物质相互 作用 作用 作用 华南理工大学电力学院 华南理工大学电力学院 前言 • 射线和物质相互作用是核物理和高能物理实验、核辐 射探测器以及核技术应用的基础知识 • 射线泛指核衰变，核反应和核裂变所放出的粒子，也 包括由加速器产生，或来自宇宙线的多种粒子，包括 α、β、γ、X射线，中子，裂变碎片和重离子 • 物质是指宏观意义上的物质，包括固体、液体和气 体，可以是单质或化合物 • 从微观上讨论各种射线在穿透物质时运动学上的变化 及能量在物质中的吸收过程；同时也要涉及射线引起 物质的变化 内容 • 重带电粒子与物质的相互作用 • β射线与物质的相互作用 • γ射线与物质的相互作用 5.1 重带电粒子与物质的相 互作用 • 带电粒子穿过靶物质时可与其原子核和核外电 子发生库伦作用或核反应，前者截面约为10- 16b，后者截面约为10-26b，故往往只考虑库伦 作用 • 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞使得核外电 子改变其在原子中的能量状态，当核外电子获 得的能量不足以挣脱原子束缚成为自由电子 时，核外电子由低能态跃迁至高能态，这就是 阻止介质原子被带电粒子激发的过程 • 受激原子是不稳定的，将通过发射γ射线退激 5.1 重带电粒子与物质的相 互作用 • 当核外电子受激能量高于电离能时，受 激原子被电离，产生一个自由电子和一 个失去自由电子的原子（正离子） • 最外层电子束缚最松故被电离的概率最 大，当内层电子被电离后留下的空穴将 由外层电子填充，并发射特征γ射线或 俄歇电子（类似EC） 5.1 重带电粒子与物质的相 互作用 • 电离过程产生的自由电子通常能量较低，但有时也具 有较高能量（δ电子），可以在阻止介质中继续使其 它原子电离 • 带电粒子也会与核外电子发生弹性碰撞，但此时传给 靶物质原子的能量通常低于最低激发能，可以忽略 • 带电粒子在靶物质中由于与核外电子的非弹性碰撞使 原子发生激发或电离而损失自己的能量称电离损失， 从靶物质对入射带电粒子作用来讲又称为电子阻止 • 只要不是能量低的重带电粒子（重于α粒子），电离 损失或电子阻止是这些粒子穿过靶物质时能量损失的 主要方式 5.1 重带电粒子与物质的相 互作用 • 设带电粒子质量为M，电荷为ze，入射能量为E ，速 0 度为v入射到靶物质中，当带电粒子离开距离r时，电 2 2 子受到的库伦力为f=-ze /r ，dt时间内电子获得的动 量为dp=fdt • 如图5.1.1电子获得的动量只存在于y方向，那么对dp 2 积分并根据几何关系可得p =2ze /bv，相应带电粒子 y 4 2 2 与一个电子碰撞而损失的能量E =2ze /meb