射线与物质的相互作用

1.12射线与物质的相互作用主要内容1.射线强度衰减的原因2.光电效应3.康普顿效应4.电子对效应5.瑞利散射6.各种相互作用发生的相对概率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2.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。0vv9~10s0vvv0v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。hv2max21mvhv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。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产物：光电子光电效应示意图伴随现象光子激发原子内层电子并击出电子(光电子)，原子在发射光电子的同时内层出现空位，此时原子(实际是离子)处于激发态，将发生较外层电子向空位跃迁以降低原子能量的过程，此过程可称为退激发或去激发过程。退激发过程有两种互相竞争的方式，即发射特征X射线或发射俄歇电子。伴随现象—荧光辐射原子内层(例如K层)出现空位，较外层(例如L层)电子向内层辐射跃迁，发射的辐射即X射线，其光子频率取决于电子跃迁前(电子在L层)与跃迁后(电子在K层)的能级差(hv=E=EL-Ek)，也可说取决于初态(跃迁前，K层空位)与终态(跃迁后，L层空位)电子结合能之差(hv=Eb=EbK－EbL)，故称为特征X射线(表征元素的特征信息)。由于是光激发(光致电离)，故发射的X射线为荧光(二次)X射线。伴随现象—俄歇效应实质是较高能级的轨道电子填充空位时所释放的能量，可以激发外层轨道电子，使外层电子从原子中发射出来，这种电子称为俄歇电子。(轻元素更易发生)3.康普顿效应西南联大吴有训的学生：其中有汪德熙、胡甯、吴仲华、黄家驷、杨振宁、洪朝生、何炳棣、李政道等後来成为著名科学家的杰出人才。学生的名单可以拉出一长串来钱三强、郭永怀、王淦昌、彭桓武、何泽慧、王大珩、朱光亚、邓稼先、梅镇岳、郑林生、金星南、胡宁等等美国物理学家康普顿我国物理学家吴有训康普顿效应(1925年诺贝尔物理奖)康普顿散射实验入射X射线具有波长的成分外,还有增长的谱线出现。波长的增长量随着散射角的增大而增大若用不同元素作散射物质，则在同一角度下与散射物质无关。0散射物质检测器布拉格晶体光阑经典电磁理论解释的困难当电磁波通过物体时，将引起物体内带电粒子的受迫振动，每个振动着的带电粒子将向四周辐射，这就成为散射光。从波动观点来看，带电粒子受迫振动的频率等于入射光的频率，所发射光的频率(或波长)应与入射光的频率相等。但康普顿散射实验中，被散射的X射线中，除了与入射波相同波长的成分外，还有波长增长的部分。而增长的数量随散射角的不同而不同。这是经典电磁理论解释不了的。e-康普顿效应hv反冲电子散射X光子vh定义：入射光子与受原子核束缚较小的外层轨道电子或自由电子发生的相互作用称为康普顿效应康普顿效应入射光子与外层电子或自由电子发生非弹性碰撞，入射光子的一部分能量转移给电子，使电子成为反冲电子，同时，入射光子的能量减少，成为散射光子。当入射光子的能量很低、并与束缚电子相互作用时，入射光子的能量将不改变，仅仅改变其方向，这个作用过程是非常次要的相互作用过程。这类弹性散射也叫汤姆逊散射产物反冲电子散射光子作用过程作用对象：X-射线与物质原子的外层电子或自由电子相互作用。入射X射线光子把一部分能量传给电子。电子沿一角度反冲弹出，动能通过电离和激发过程最后变成热消耗掉。光子并不消失，但能量减小(从而它的频率降低)，方向改变，这个光子称散射光子。结果:原射线方向的光子数就减少(衰减)了。康普顿散射公式mvchvchv'22222'2()()()'coshvhvhmvvvccc220'hvmchvmc动量守恒能量守恒0'(1cos)hmc康普顿波长83134010998.210109.910626.6cmhc---散射角时的康普顿位移---m0是电子的静止质量22sin2)cos1('2cc康普顿公式0cos10242.0A=0.0242A°康普顿波长康普顿效应中波长改变的原因：当X光的光子与“自由电子”碰撞后，光子将沿某一方向(角)散射。同时，碰撞过程中把一部分能量传递给“自由电子”，散射光子的能量就小于入射光子的能量。因为光子能量与频率成正比，所以散射光的波长就大于入射光的波长。散射前后能量分布散射光子的能量反冲电子的动能201(1cos)hhhmc220()(1cos)(1cos)ehEhhmch发生概率发生几率（大致）：原子序数高,↑；能量低,↑。原子中内层的电子一般都被原子核束缚得很紧密，特别是重原子中。光子与这些束缚电子碰撞，实际上是与整个原子碰撞，由于原子的质量比电子大得多，根据康普顿公式计算的波长改变量小得几乎测不出。原子序数愈大，内层电子愈多，与原子核结合而成的原子也愈重，波长不改变的成分也愈多，即康普顿效应愈弱（与内层电子）。4.电子对效应当入射光子能量高于1.02MeV时，光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子。产物正电子负电子电子对效应示意图正电子X光子负电子作用过程作用对象：X-射线与物质原子在原子核区相互作用过程：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：0h光子有可能在原子核的电场中发生湮灭MeVergcm511.0)103(1011.92102820能量方程：0h=1.022MeV+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。作用过程光子与电子发生电子对效应入射光子与原子的电子发生作用也可以产生电子对效应，但其发生的可能性远小于入射光子与原子核相互作用过程，并且，入射光子的能量应不小于2.04MeV。电子对效应截面MeVhv02.1EZp2MeVhv02.1EZpln2发生几率（大致）：原子序数高,↑；能量高,↑5.瑞利散射入射光子与内层轨道电子发生弹性散射过程，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，能量损失可忽略不计。与原子发生的弹性碰撞过程散射截面：发生几率（大致）：∝Z2；能量高，↓。入射光子能量在200KV以下时，瑞利散射影响不可忽略。产物：散射光子2,RZ几种效应比较效应光子能量作用对象作用产物光电效应较低原子内层轨道电子光电子(荧光辐射)康普顿效应中等外层轨道电子，自由电子散射光子、反冲电子电子对效应1.02MeV以上原子核、原子电子正负电子对瑞利散射低轨道电子光子6.各种相互作用发生的相对几率不同的物质和不同的能量区域，三种效应的相对重要性不同：低能量射线和原子序数高的物质，光电效应占优势中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势高能量射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势几种主要作用与光子能量、物质的原子序数的关系各种效应对射线照相的影响光电效应与电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度。康普顿散射会降低对比度。