射线与物质的相互作用课件.pptVIP

第五章射线与物质的相互作用具有一定动能的射线会与物质发生相互作用。重带电粒子与物质的相互作用；快速电子与物质的相互作用；?射线与物质的相互作用；中子与物质的相互作用。11

§5.1概述一．电离辐射的种类二．弹性碰撞和非弹性碰撞?三．带电粒子在物质中的慢化2

一．电离辐射的种类电离辐射：能量大于~10eV量级的射线。3

二．弹性碰撞和非弹性碰撞带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。相互作用过程中，满足能量守恒：当?E=0时，弹性碰撞；当?E?0时，非弹性碰撞；?E0时，与基态原子碰撞，原子被激发；?E0时，与激发态原子碰撞。4

从微观上看：碰撞机制：与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。碰撞后：入射粒子能量损失；或能量、方向改变后出射；或入射粒子消失，产生新粒子。从宏观上看：不管作用机制如何，穿过物质的射线强度比入射强度减小。5

三．带电粒子在物质中的慢化入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、原子核发生的库仑相互作用。入射带电粒子在相互作用过程中逐渐慢化。在入射带电粒子与电子的一次碰撞中，靶原子的电子获得的动能只占入射离子动能的很小的一部分。质子入射时：6

1、带电粒子与核外电子的非弹性碰撞核外电子获得能量，引起电离或激发。电离：产生自由电子、正离子，主要在最外层电子。激发：电子跃迁，原子处于激发态，退激发光。电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。7

当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。2、带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射电磁辐射——韧致辐射。当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。8

3、带电粒子与靶原子核的弹性散射入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转；入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。叫做核碰撞损失，核阻止；主要对低能重离子入射。4、带电粒子与核外电子的弹性散射与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转；入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电子能量状态不发生改变。100eV以下的?粒子才需考虑。9

§5.2重带电粒子与物质的相互作用与核外电子的非弹性碰撞；与原子核的非弹性碰撞。一．重带电粒子在物质中的能量损失二．重带电粒子的射程10

一．重带电粒子在物质中的能量损失1.能量损失率：入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。也叫线性阻止本领。有：电离损失率，辐射损失率。所以，11

Bethe公式(Betheformula)Bethe公式是描写电离能量损失率S与带电粒子速度v、ion电荷Z等关系的经典公式。公式推导的简化条件：1.入射粒子与“自由电子”发生碰撞；(入射粒子的动能远大于电子的结合能)2.入射粒子与“静止”电子发生碰撞；(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度)3.入射粒子的电荷态是确定的,碰撞后入射粒子仍按原方向运动。(碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向几乎不变)12

通过以上假设可以得到重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子碰撞能量损失率的近似表达式为：其中：按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为只是：13

Bethe-Block公式：根据量子理论，并考虑了相对论修正?几点讨论：1、S与入射粒子质量无关，只与电荷与速度有关。例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。14

2、S与入射粒子的电荷平方z成正比2例如，相同速度的p与?，S=4S。?p3、S与靶物质的电子密度NZ成正比4、S与v的2关系v2较大，对数项增大，S上升；vv22；较小，S?1/v2很小，电荷交换效应，俘获；v2极小，核阻止作用。15

二．重带电粒子的射程射程R：带电粒子在物质中沿初始入射方向行进的最大距离。路程：带电粒子在物质中实际经过的轨迹。对重带电粒子，射程=路程；对轻带电粒子，射程路程。射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。重带电粒子百分之几，轻带电粒子百分之十几。16

对重带电粒子，非相情况：把射程公式改写为：17

射程的实验测量：t平均射程R；外推射程Re；最大射程R。max

?粒子在标准状态空气中的射程，适用范围：3MeV?E?7MeV。在不同的物质中，与空气对比，可得?粒子在其他物质中的射程，其中，空气是由多种元素组成的混合物，对此：19

例：210Po，?放射源，E=5.3MeV，计算得到：R=3.8cm。0在Al中，A=27，?=2.7，计算得到：R=23.4?m。在人体组织中，R=43?m，R?=4.3mg/cm而人体皮肤的厚度22；。