射线检测技术4-1 射线与物质的相互作用.ppt

电子对效应示意图 作用过程 作用对象： X-射线与物质原子在原子核 （库伦场）相互作用 过程： X-射线光子的能量 1.02MeV 产生电子对(一个电子和一个正电子) 二者静止质量所对应于的能量各为： 光子有可能在原子核的电场中发生湮灭 能量方程： =1.022 + 正电子通过物质 与原子中的电子相互作用 吸引电子使原子电离正电子失去小部分能量 正电子的动能耗完 与一自由电子结合，湮灭 二种粒子的质量均转变为能量产生二能量均为0.511Mev 的光子（射线），方向相反。 作用过程 电子对效应与湮灭辐射 主要内容 射线强度衰减的原因 反应截面 光电效应 康普顿效应 电子对效应 瑞利散射 各种相互作用发生的相对概率 4.1 射线强度衰减 X射线、 ?射线射入物体后，将与物质发生复杂的相互作用。本质是光子与物质原子的相互作用，包括光子与原子、原子的电子及自由电子、原子核的相互作用。其中主要的作用有光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。由于这些相互作用，部分射线被物质吸收和散射，因此，穿透物质的射线强度减弱(衰减)。 吸收与散射 射线穿过物质时，由于吸收与散射导致强度减弱。 吸收：光子的能量被物质吸收后变为其他形式的能量(能量转换) 散射：光子运动方向改变 4.2反应截面 射线以一定的概率与物质发生相互作用，通常用截面σ表示作用概率的大小。 σ表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生相互作用的概率 若能量为hv的单能射线束入射物质，穿透的物质层厚度为△t，X射线的入射强度为nhv, n为单位时间入射到物质单位面积上的光子数；出射强度n’hv 反应截面 由于入射的射线光子要与物质中的粒子（也称靶原子、靶核）发生相互作用，这样就造成了出射X射线束强度的减少 如果靶物质的原子数密度为N，则射线通过厚度为△ t的物质层时，单位面积上靶原子数为△ t N ,则 反应截面 称σ 为作用截面、反应截面或微观截面，它具有面积的量纲，在原子物理学中，作用截面的常用单位为“巴恩”（bran.b) 如果光子与原子作用，称为原子截面，如果与原子核作用，称为原子核截面等。 射线与物质相互作用的总截面为 4.3 光电效应 定义：入射光子与原子轨道电子相互作用，获得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子，入射光子消失，这种作用过程称为光电效应。 特点 光电效应特点： 对于一定的金属材料做成的电极，有一个确定的临界频率 。当照射光频率 小于 时，无论光的强度多大，不会观测到光电子从电极上逸出。 每个光电子的能量只与照射光频率 有光，而与光强度无关，光强度只影响到光电流的强度，即单位时间从电极单位表面积上逸出的电子数目。 当入射光频率 大于 时，不管光子多微弱，只要光一照上，几乎立刻( )观测到光电子，这与经典电磁理论计算结果很不一致。 爱因斯坦光量子说 小于 时，电子不能脱出金属表面。 光的频率决定了光子的能量，也就决定了电子的能量。 光的强度只决定光子的数目，光子多，产生的光电子也多，但能不能产生光电子则决定于光的频率。 光子能量守恒 经典物理解释与光量子学说 经典物理的解释行不通：光照到电极上—电子得到能量—光电子的能量集到一定程度就逸出—光要照射约1/3年，电子的能量才达到1电子伏特—与实验矛盾—实验约10-9秒就有电子逸出。 依照经典理论，光强才决定电子能量，但实验证明弱的紫外光比强的红光照出的电子的能量都大。 其他特点 光子的能量必须大于壳层电子的结合能时才能发生光电效应。 光子与自由电子(非束缚电子)不能发生光电效应，这是动量守恒的要求决定的。除入射光子和电子外，还需要有原子核参加才能满足作用前后动量守恒 电子在原子中束缚得越紧，就越容易使电子参与相互作用过程，发生光电效应的概率就越大。 光电效应过程伴随着特征X射线或俄歇电子的发射。 光电效应作用过程 作用对象：X-射线与物质原子的内层电子或束缚电 子相互作用。 过程：若光子能量大于束缚电子的结合能。 电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消失了， 物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 “光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动能以热的形式消耗在附近晶格中； 空位为外层电子（自由电子）所填充，产生辐射：发出标识X-射线。 作用过程 光电子发射的方向与入射光子的能量相关，当入射光子的能量较低时，光电子主要分布在与入射光子方向垂直的方向；随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾向于入射光子的方向 概率发生（大致）能量低，↑；原子序数高，↑。光电效应的发生率随着入射光子能量增大而降低、随着物质原子序数增大而增大 原子反应截