射线和物质的相互作用专题培训课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,5.1,概述,1,电离辐射：能量大于,10eV,量级的射线。,一电离辐射的种类,2,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；,E,0,时，与基态原子碰撞，原子被激发；,E,0,时，与激发态原子碰撞。,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。,3,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。,4,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：,三带电粒子在物质中的慢化,5,1,、,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。,6,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。,辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。,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。,7,3,、,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。,8,一重带电粒子在物质中的能量损失,二重带电粒子的射程,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。,9,一,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。,有：电离损失率，辐射损失率。,所以，,也叫线性阻止本领。,10,Bethe,公式,(,Bethe formula,),Bethe,公式是描写,电离能量损失率,S,ion,与,带电粒子速度,v,、,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,),11,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：,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：,12,Bethe-Block,公式：,根据量子理论，并考虑了相对论修正,几点讨论：,例如，,1MeV,的,p,与,2MeV,的,d,，,z,相同，,v,相同；,S,相同。,1,、,S,与入射粒子质量无关，只与电荷与速度有关。,13,4,、,S,与,v,2,的关系,2,、,S,与入射粒子的电荷平方,z,2,成正比,例如，相同速度的,p,与,，,S,=4,S,p,。,3,、,S,与靶物质的电子密度,NZ,成正比,v,2,较大，对数项增大，,S,上升,；,v,2,较小，,S,1/,v,2,；,v,2,很小，电荷交换效应，俘获；,v,2,极小，核阻止作用。,14,二重带电粒子的射程,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,1.022MeV),时，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。,1,、能量关系,从能量守恒：,电子对效应发生的条件：,电子动能范围：,三电子对效应,41,2,、电子对效应必须在有原子核参加时才能发生。,电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者,原子核,的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光,子的能量必须大于,1.022MeV,。,原子核带走多余的动量，又不带走过多的动能。,正负电子来自何方？,不是从原子核中释放的；也不是来自原子中的电子轨道；是射线转化而来，是物质不同形态的转化。,3,、电子对效应的截面,当：稍大于 时：,当：时：,电子对效应截面随,Z,的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而增加。,42,小结：,低能、高,Z,，光电效应占优势；,光 电,效 应,康普顿,散 射,电子对,效 应,高能、高,Z,，电子对效应占优势；,中能、低,Z,，康普顿散射占优势。,43,44,能量改变；,强度不变；,射程概念。,能量改变；,强度改变；,最大射程。,四,射线的吸收,45,能量改变；,强度不变；,射程概念。,能量改变；,强度改变；,最大射程。,能量不变；,强度改变；,无射程概念。,四,射线的吸收,46,1,、射线通过,物质时的吸收,一束准直射线，初始强度,I,0,，,在厚度,t,处经过,dt,时强度变化：,利用初始条件,t,=0,时，,解得：,47,2,、吸收系数,线性吸收系数：,质量吸收系数：,48,3,、半吸收厚度,半吸收厚度：射线在物质中强度减弱一半时的厚度，,可以用半吸收厚度表示指数衰减规律：,49,