第四章射线与物质相互作用1.pptVIP

第五章 射线与物质相互作用 * 原子核物理 射线(Ray)又称辐射（Radiaton) 能量大于10ev的辐射称作电离辐射（Ionizing Radiaton） 电离辐射通常可分为四大类： 带电粒子辐射 非带电粒子辐射 快电子 重带电粒子 电磁辐射 中子 § 1、重带电粒子与物质的相互作用 § 2、?射线与物质的相互作用 § 3、γ射线与物质的相互作用 § 4、中子与物质的相互作用 带电粒子与物质相互作用时，主要是与物质中的原子产生相互作用： 包括与原子核的弹性与非弹性碰撞； 与核外电子的弹性与非弹性碰撞， 主要的效应：与核外电子的非弹性碰撞， 与原子核的非弹性碰撞。 它们都属于电磁相互作用，引起入射粒子的能量损失。 射线与物质相互作用中，射线泛指核衰变、核反应、核裂变放出的粒子，也包括加速产生的，或来自宇宙线的多种粒子；物质指宏观意义上的物质，固、液、气体，单质或化合物。 §5.1 重带电粒子与物质的相互作用 相互作用的特点 重带电粒子（如α、p、d…）主要是通过与物质原子中 轨道电子间的库仑作用，只有极少数入射粒子通过与核 作用而发生大角度散射。因此，仅讨论重带电粒子与物 质的核外电子间的作用过程。 重带电粒子:与电子相比，质量与电荷数比较大的粒子。 5.1.1 重带电粒子在物质中的能量损失  快速运动的质子、?粒子一类重带电粒子在穿过靶物质时，与物质原子发生非弹性碰撞，将能量转移给电子，导致原子的电离和激发，从而导致带电粒子的能量损失。带电粒子的能量损失分为核碰撞能量损失和电子碰撞能量损失。对于高能(MeV)带电粒子，原子核碰撞所导致的能量损失远远小于与核外电子碰撞所导致的能量损失。 一个速度为υ、电荷ze的带电粒子穿过由原子序数Z的元素组成的纯阻止介质时，由于与介质原子核外电子发生非弹性碰撞，经过单位路程后的能量损失或称阻止本领为： 式中m0为电子静止质量，?＝v/c，N为阻止介质中单位体积的原子数目，I为介质原子的平均电离电势，代表该原子中各壳层电子的激发和电离能之平均值。方括号中第二、三两项是相对论修正项。这就是著名的贝特－布洛赫公式。 能量损失率 Ze,M,v e, m fy fx r b a. 能量损失率与入射粒子的电荷数z的平方成正比，高z的入射粒子，电离损失率大，重离子比轻离子电离损失率大。 b.电离损失率与入射粒子的速度v的平方成反比，入射离子速度越快，电离损失率越小。 c.电离损失率与物质的电荷数Z、单位体积中的原子数N成正比，物质的电荷数越大、单位体积中的电荷数越大，则电离损失率越大。 对于重带电粒子与重物质相互作用，其电离损失率大，而轻带电粒子与轻物质相互作用则相反。 5.1.2 重带电粒子的射程重带电粒子在物质中运动不断损失能量，待能量耗尽，就停留在物质中。它沿原来方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程。能量为E0的入射粒子的射程：实际应用中，利用实验数据总结出的经验公式。如天然放射性核所释放的?粒子，在空气中的射程为： ?粒子在其它物质中的射程：A为该物质原子量，?为密度 能量歧离和射程歧离 由于各入射带电粒子与物质原子的微观相互作用是随机的，因而其能量损失是一随机过程。 贝特－布洛赫公式只是此过程的平均值的描述。同样能量的入射粒子经过一定距离后，个个粒子损失的能量不会是完全相同的。因此，单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而是发生了能量离散-----能量歧离。 由于带电粒子与物质相互作用是随机的，单能粒子的射程也是涨落的-----射程歧离。 §5.2 ?射线与物质的相互作用 ?射线（包括正负电子）与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，而且在物质中运动的轨迹十分曲折，电子与靶原子的作用除了电离能量损失外，还有辐射能量损失，此外电子还会被靶物质中的电子和原子核散射。 快电子径迹示意图 由于快电子与相互作用的轨道电子的质量相等， 因而在单次碰撞中就可能损失大部分能量并发生 大的偏转。 5.2.1 电子的能量损失 电离损失：快电子通过靶物质时，也会与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使原子电离或激发 辐射损失： ?粒子穿过物质时，会发射电磁波即光子，称为辐射损失。 轫致辐射：当电子经过原子核附近时由于库仑力的作用，发生非弹性散射，运动方向发生改变，产生加速度，从而向外辐射能量，为轫致辐射。受库仑场的加速会辐射电磁波，电磁波振幅正比于加速度a ? Ze2/me，则电磁辐射强度，即振幅平方正比于Z2/me2 理论计算得到的轫致辐射引起的能量损失率为： 辐射损失率与Z2成正比，说明电子打到重元素中容易发生轫致辐射。这一特性对选择合适的