第五章-射线与物质相互作用

第五章射线/辐射与物质的相互作用西安交通大学核科学与技术学院第五章射线/辐射与物质的相互作用5.1辐射与物质相互作用概述5.2重带电粒子与物质相互作用5.3β射线与物质相互作用5.4/X射线与物质相互作用5.5中子与物质相互作用5.1辐射与物质相互作用概述一．常用的核辐射类型及特征二．致电离辐射的种类三．辐射与物质相互作用种类四弹性碰撞和非弹性碰撞五.带电粒子在物质中的慢化辐射：指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射，并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。辐射分类：物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。核辐射粒子类型：就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要有α辐射、β辐射、γ辐射和中子辐射等。一常用的核辐射类型及特征（致）电离辐射：电离是从一个原子、分子或其它束缚态放出一个或几个电子的过程；（致）电离辐射就是通过与物质相互作用能够直接或间接地使物质的原子、分子电离的辐射。不同原子的电离需要的能量不同。电离辐射截止能量：一种辐射在某种介质中可能是致电离辐射，在另一种介质中可能不是，因此电离辐射的范围，应选一截止能量，在此能量之下可认为辐射是非电离的；而截止能量的选取依情况而定，如对于放射生物学适用的值约为10eV。以此为界，远紫外辐射以及波长更大的紫外光、可见光、无线电波等辐射都属于非电离辐射；而α、β、γ等所有的核辐射都属于电离辐射。这些核辐射与物质相互作用结果都是电离，以后转化为热。各种辐射之间的区别，不在于他们的产物，而在于其电离分布。二．致电离辐射的种类带电粒子辐射(,,,)pdf重带电粒子辐射(,)e快速电子非带电粒子辐射(,,)x电磁辐射中子致电离辐射：能量大于~10eV量级的射线。二．致电离辐射的种类•辐射/射线与物质相互作用：是辐射进入物质发生的一些过程，在此过程中入射粒子的能量和（或）方向发生了变化，或者粒子被吸收了。相互作用后，可能发射一个或多个次级粒子。入射粒子的电荷、质量、能量不同，发生作用的相互作用过程不同。带电粒子可以通过与物质原子（核）的电磁场与之发生相互作用（库仑力），将能量传递给物质，使原子直接电离。不带电粒子（光子、中子）不能直接是原子电离，它们的相互作用中首先将能量转移给次级带电粒子，这些次级带电粒子再产生电离，因此，不带电粒子是间接电离粒子。三．辐射与物质相互作用种类表直接电离间接电离致电离辐射三．辐射与物质相互作用种类辐射与物质相互作用是核物理、高能物理实验、核辐射探测器以及核技术及应用的基础。只有当辐射穿过物质并和物质发生相互作用时才会留下有关辐射的种类、能量和强度等信息。三．辐射与物质相互作用种类相互作用过程中，满足能量守恒：22'2'211112222mvMVmvMVE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。四．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。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。五．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，电子能获得的最大能量：max024()mMEEmM质子入射时：max01500EE五．带电粒子在物质中的慢化a）作用对象：原子（核外电子）原子核b）作用方式：(1)带电粒子与靶核外电子发生非弹性碰撞(2)带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞(3)带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞(4)带电粒子与靶核外电子发生弹性碰撞(5)切伦科夫辐射五．带电粒子在物质中的慢化五．带电粒子在物质中的慢化自由电子正离子+库仑作用称为δ电子(1)与核外电子发生非弹性碰撞带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。1）电离电离产生自由电子、正离子，主要在最外层电子。电子进一步产生电离。(1)与核外电子发生非弹性碰撞2）激发入射带电粒子传递给电子的能量较少，不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子，但可以使原子从低能级状态跃迁到相对高能级状态，此时原子处于激发状态，此过程称为激发。激发态时间短——＞返回基态，即退激并发射出光子或俄歇电子。五．带电粒子在物质中的慢化电离：核外电子克服原子的束缚成为自由电子，原子成为正离子。激发：使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光或发射俄歇电子。五．带电粒子在物质中的慢化电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。五．带电粒子在物质中的慢化(1)与核外电子发生非弹性碰撞五．带电粒子在物质中的慢化核库仑作用反冲(2)带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞带电粒子靠近原子核时，由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。伴随着发射电磁辐射（又称轫致辐射），以辐射光子的形式损失其动能，称为辐射损失。轫致辐射能损正比于入射粒子能量，而反比于其质量的平方，因此，对高能轻粒子，这种能量损失起主导作用。α粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小，运动状态改变大。*轫致辐射（bremsstrahlung）:带电粒子在受到库仑场的减速时，将一部分动能以光子的形式发射出来，这就是轫致辐射。入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。五．带电粒子在物质中的慢化(2)带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞五．带电粒子在物质中的慢化（3）带电粒子与靶核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的库仑场相互作用而发生弹性散射。在弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由带电粒子带走，但其运动方向发生偏转。这种有入射粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子能量损失称为核碰撞能量损失，通常把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子确是引起反散射的主要过程。即该过程中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。入射带电粒子在此过程中的能量损失叫做核碰撞损失或核阻止；主要对低能重离子入射。（3）带电粒子与靶核的弹性碰撞五．带电粒子在物质中的慢化五．带电粒子在物质中的慢化库仑作用反冲核（3）与原子核的弹性碰撞带电粒子靠近原子核时，由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原子核，绝大部分能量由入射粒子带走。但不产生电磁辐射，也不使原子核受到激发，而是使原子核受到反冲而获得能量，使晶格原子产生位移，形成缺陷，即在物质内产生带电粒子的径迹。这种作用主要是p、α等重带电粒子所致。α粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移，形成缺陷。图：辐射在晶体中产生的晶格缺陷（位移损伤）过程示意图五．带电粒子在物质中的慢化五．带电粒子在物质中的慢化（4）与靶原子核外电子的弹性碰撞带电粒子靠近原子时，由于与核外电子的库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，入射粒子损失的部分能量转移给原子，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。在此过程种不发射辐射。实际上这是入射粒子于整个靶原子的相互作用。原子库仑作用反冲这种相互作用方式只是在极低能量（小于100eV）的电子才考虑，其它情况完全可忽略掉。一．电离损失率二．重带电粒子的射程三能量损失的Bragg加法法则§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．电离损失率重离子：指荷电荷数z2的所有失去部分电子的原子（正离子态）或过剩电子的原子（负离子态）。能量损失率/阻止本领：入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。或者称为物质能量的对带电粒子的阻止本领，dESdx包括：电离损失率，辐射损失率、核碰撞能量损失率（核阻止本领）。ionradndEdEdEdEdxdxdxdx即：假设：入射粒子与“自由电子”发生碰撞；入射粒子与“静止”电子发生碰撞；入射粒子的电荷态是确定的。Pft在时间t内传给电子的动量，Pfdt因此，在全部相互作用中，传给电子的总动量，222()zeezefrr距离入射带电粒子r的电子受到库仑力，一．电离损失率2301.4ybzebffrrdxdtv由于，x方向的动量分量为零。yyPPfdtv近似看作常数，则有:2223223/20001112...44()4zebdxzebdxzePvrvxbbv碰撞参数为b的电子获得的动能，224222012().24beePzeEmmvb一．电离损失率()2bbdbbdEbdbdxNZE入射粒子经过dx距离，碰撞参数为bb+db范围内的电子得到的能量为，maxmin2422014().4bbionedEzeNZdbdxmvb入射粒子在单位距离内损失的能量，242max20min14().ln4ebzeNZmvb一．电离损失率因重离子能量损失为一有限值，因此bmin、bmax不可能为零，也不可能为无穷大。一．电离损失率显然，碰撞参数b越小，碰撞中电子获得的能量越多，根据经典碰撞理论，重离子与电子对心碰撞时，电子获得的能量最大，约为2mev2。因此，当b=bmin时，（△Eb）min=2mev2242220min12().4ezemvb所以：2min201.4ezebmv而上限bmax对应电子获得最小能量的阈值，可由电子在原子中的结合能来确定。因与带电粒子碰撞的电子不是自由电子，是核外束缚电子，带电粒子与电子的碰撞是非弹性碰撞，即电子只能从带电粒子处接受大于其激发能级的能量。引入一个参数I——平均激发能，即对靶原子中个壳层电子的激发能和电离能求平均。在上述碰撞过程中，电子获得的能量至少为I，即（△Eb）max≥I。122max012.4ezebvmI即：bmax对应电子获得的最小能量，需大于靶原子的平均激发能I，所以：一．电离损失率12224220214().ln4eionemvdEzeNZdxmvI将bmin对、bmax代入得：而从量子理论推导出的非相对论下的公式为：一．电离损失率224220214().ln4eionemvdEzeNZdxmvI与上式相比，仅在对数项上有差别。进一步考虑相对论及其它修正因子，推导出来的重带电粒子电力能量损失率的精确表达式称为Bethe-Block公式。Bethe-Block公式：22()ioniondEzNZSvdxv242220214()().lnln(1(/))(/)42eemvevcvcvmI一．电离损失率式中：me，e－电子的静止质量与电荷；z，v－入射重带电粒