核物理基础与辐射防护-5.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,2009-05-30,*,*,第五章 射线与物质的相互作用,Radiation Interactions with Matter,2009-05-30,1,5.1,概述,1,、什么是射线？,射线,，指的是如,X,射线、,射线、射线、射线等，本质都是,辐射粒子。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为,致电离辐射,，辐射能量,大于,10,eV,。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,2009-05-30,2,2,、射线与物质相互作用的分类,Charged Particulate Radiations,Uncharged Radiations,Heavy charged particles,Neutrons,Fast electrons,X-rays and,rays,2009-05-30,3,3,、弹性碰撞与非弹性碰撞,为内能项,弹性碰撞,（即动能守恒）,非弹性碰撞,（即动能不守恒）,为,第一类非弹性碰撞,，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；,为,第二类非弹性碰撞,，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。,2009-05-30,4,4,、带电粒子在靶物质中的慢化,载能带电粒子在靶物质中的,慢化过程,，可分为,四种,，其中前两种是主要的：,(a),电离损失带电粒子与靶物质原子中,核外电子,的非弹性碰撞过程。,(b),辐射损失带电粒子与靶,原子核,的非弹性碰撞过程。,(c),带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,(d),带电粒子与核外电子弹性碰撞,2009-05-30,5,(1),电离损失,与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过,库仑作用,，使电子获得能量而引起,原子的,电离,或,激发,，自身损失能量，称为,电离损失,。,电离,核外层电子克服束缚成为,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,。,2009-05-30,6,(2),、辐射损失,与原子核的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与,原子核,之间的,库仑力作用,，使入射带电粒子的,速度,和,方向,发生变化，伴随着发射,电磁辐射,轫致辐射,Bremsstrahlung,。,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,。,尤其,对,粒子,与物质相互作用时，,辐射损失,是其,重要的一种能量损失方式,。,2009-05-30,7,(3),、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,带电粒子,与,靶原子核的库仑场,作用而发生弹性散射。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，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。,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。但对电子却是引起反散射的主要过程。,这种由入射带电粒子与靶原子核发生,弹性碰撞,引起,入射粒子的能量损失,称之为,核碰撞能量损失,，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为,核阻止,。,2009-05-30,8,(4),、带电粒子与核外电子的弹性碰撞,受,核外电子,的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为,满足能量和动量守恒,，入射粒子要损失一点动能，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。实际上，这是,入射粒子与整个靶原子的相互作用,。,这种相互作用方式只是在极低能量,(100eV),的,粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。,2009-05-30,9,5.2,重带电粒子与物质的相互作用,1,、重带电粒子与物质相互作用的特点,重带电粒子,均为,带正电荷,的,离子,；,重带电粒子,主要,通过,电离损失,而损失能量，同时使介质原子,电离或激发,；,重带电粒子在介质中的,运动径迹,近似为,直线,。,2009-05-30,10,2,、重带电粒子在物质中的能量损失规律,1),能量损失率,(,Specific Energy Loss,),指,单位路径,上引起的,能量损失,，又称为,比能损失,或,阻止本领,(,Stopping Power,),。,按能量损失作用的不同，能量损失率可分为,“,电离能量损失率,”和“,辐射能量损失率,”。,对,重带电粒子,，,辐射能量损失率,相比,小的多,，因此,重带电粒子的能量损失率,就,约等于,其,电离能量损失率,。,2009-05-30,11,2)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。,(1),与带电粒子,质量,M,无关,，仅与其,速度,v,和,电荷数,z,有关,。,(2),与,带电粒子,的,电荷,z,的关系；,与,带电粒子,的,速度,v,的关系：,非相对论,情况下，,B,随,v,变化缓慢，近似与,v,无关。,(4),，,吸收材料,密度大,，,原子序数高,的，阻止本领大。,z,入射粒子电荷数，,v,入射粒子速度，,m,0,为电子静止质量，,N,靶物质单位体积的原子数，,Z,靶物质原子的原子序数，,I,靶物质平均等效电离电位。,2009-05-30,12,3,、重带电粒子在物质中的射程,带电粒子,沿入射方向,所行径的,最大距离,，称为入射粒子,在该物质中,的,射程,R,。,入射粒子在物质中行径的,实际轨迹的长度,称作,路程（,Path,),。,路程,射程,重带电粒子,的,质量大,，与物质原子相互作用时，其,运动方向几乎不变,。因此，,重带电粒子,的,射程与其路程相近,。,若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：,射程往往通过实验测定。,入射粒子能量高,，,其射程长,；反之则短。,2009-05-30,13,5.3,快电子与物质的相互作用,快电子与物质相互作用的特点：,快电子,的,速度大；,快电子,除,电离损失,外，,辐射损失,不可忽略；,快电子,散射严重,。,重带电粒子,相对,速度小；,重带电粒子,主要,通过,电离损失,而损失能量；,重带电粒子,在介质中的,运动径迹,近似为,直线,。,1,、快电子的能量损失率,对快电子，必须考虑相对论效应的,电离能量损失,和,辐射能量损失,。,电子,电离能量损失率,的,Bethe,公式：,2009-05-30,14,辐射能量损失,：,带电粒子,穿过物质时受物质,原子核,的,库仑作用,，,其,速度,和,运动方向,发生变化，,会伴随发射,电磁波，,即,轫致辐射,。,辐射能量损失率,：,单位路径,上，由于,轫致辐射,而损失的能量。,量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：,入射粒子,的,电荷,、,能量,及,质量,吸收物质,的,原子序数,和,单位体积的原子数,2009-05-30,15,讨论：,：,辐射损失率,与,带电粒子,静止质量,m,的,平方成反比,。所以仅对电子才重点考虑。,当要吸收、屏蔽,射线时，不宜选用重材料。,当要获得强的,X,射线时，则应选用重材料作靶。,：,辐射损失率,与,带电粒子,的,能量,E,成,正比,。即辐射损失率,随,粒子,动能,的,增加而增加,。,(3),：,辐射损失率,与,吸收物质,的,NZ,2,成,正比,。所以当,吸收材料,原子序数大,、,密度大,时，,辐射损失大,。,2009-05-30,16,对电子,，其,辐射能量损失率,为：,电子,的,两种能量损失率,之比,：,E,的单位为,MeV,探测学中所涉及快电子的能量,E,一般,不超过,几个,MeV,，所以，,辐射能量损失,只有在,高原子序数,(,大,Z,),的,吸收材料,中才是重要的。,2009-05-30,17,2,、快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是,曲折的,。,电子的,射程,和,路程,相差很大。,电子的,射程,比,路程,小得多。,2009-05-30,18,1),单能电子,的吸收与,粒子,吸收的差别,由于,单能电子,和,粒子,易受散射，其吸收衰减规律,不同于,粒子,。但均存在最大射程,R,max,。,对,单能电子,，初始能量相等的电子在各种材料中的,射程,与,吸收体密度,的,乘积,近似为,常数,：,质量厚度,表示的射程,单位为：,单能电子,在吸收介质中的射程,R,m,(,mg/cm,2,),与其能量,E,(,MeV,),之间的关系,(,经验公式,),：,2009-05-30,19,对,粒子,，当吸收介质的厚度远小于 时，粒子的,吸收衰减曲线,近似服从,指数规律,：,为吸收体的,吸收系数,t,为,吸收体的,厚度,m,为吸收体的,质量吸收系数,t,m,为,吸收体的,质量厚度,2009-05-30,20,射线在,铝,中的,射程：,当 时，,当 时，,其它典型物质中,射线的射程：,Ge,：,R,E,max,，,(mm,MeV),Al,：,R,2,E,max,，,(mm,MeV),Air,：,R,400,E,max,，,(cm,MeV),对比：,4MeV,在,空气中的射程约为,2.5cm,。,2009-05-30,21,2),电子的,散射,与,反散射,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为,弹性散射,。由于电子质量小，因而,散射的角度可以很大,，而且会发生,多次散射,，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生,大角度偏转,，称为,反散射,。,对,同种材料,，入射电子,能量越低,，,反散射,越严重,；对,同样能量,的入射电子，,原子序数越高,的材料，,反散射,越严重,。对低能电子在高原子序数的厚样品物质上的反散射系数可达,50,。,实验发现：,2009-05-30,22,反散射,的,利用,与,避免,1),对,放射源,而言，,利用,反散射,可以,提高,源的产额,。,2),对,探测器,而言，要,避免,反散射,造成的,测量偏差,。,给源加一个,高,Z,厚衬底,。,使用,低,Z,材料,作探测器的入射窗和探测器。,探测器,2009-05-30,23,3,、正电子的湮没,正电子,与物质发生相互作用的,能量损失机制,和电子相同,。,高速正电子进入物质后迅速被,慢化,，然后在正电子径迹的,末端,与介质中的电子发生,湮没,，,放出,光子,。或者，它与一个电子结合成,正电子素,，即,电子,正电子对,的束缚态，然后再,湮没,，,放出,光子,。,正电子的特点是：,正电子湮没放出光子的过程称为,湮没辐射,。,正电子湮没时放出的光子称为,湮没光子,。,2009-05-30,24,正电子湮没时一般放出,两个光子,，放出,三个光子,的概率仅为放出两个光子概率的,0.37,。,从,能量守恒,出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，,两个湮没光子的,总能量,应等于,正、负电子的,静止质量,。即：,从,动量守恒,出发：,湮没前,正、负电子的,总动量为零,，则，,湮没后,两个湮没光子的,总动量也应为零,。即：,因此，两个,湮没光子,的,能量相同,，各等于,0.511,MeV,。,2009-05-30,25,探测学中射线含义,电磁辐射,特征,射线：,湮没辐射：,核能级跃迁,正电子湮没产生,特征,X,射线：,原子能级跃迁,轫致辐射：,带电粒子速度或运动方向改变产生,5.4,射线,与物质的相互作用,2009-05-30,26,特点：,光子,是通过,次级效应,(,一种“,单次性,”的,随机事件,),与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，,光子或者消失或者受到散射而损失能量,，,同时产生,次电子,；,次级效应,主要的方式有,三种,，即,光电效应,、,康普顿效应,和,电子对效应。,射线,与物质发生不同的相互作用都具有一定的,概率,，仍用,截面,这个物理量来表示作用概率的大小。而且，,总截面,等于,各作用截面之和,，即：,总截面,光电效应截面,康普顿效应截面,电子对效应截面,2009-05-30,27,1,、光电效应,射线,(,光子,),与物质原子中,束缚电子,作用，把,全部能量,转移给某个,束缚电子,，使之,发射出去,(,称为,光电子,),，而,光子本身消失,的过程，称为,光电效应,。,光电效应,是,光子,与,原子整体,相互作用，而,不是,与,自由电子,发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的,最紧的,K,层电子上。,光电效应发生后,，由于原子,内层电子出现空位,，将发生发出,特征,X,射线,或,俄歇电子,的过程。,1),光电子的能量,由,能量守恒,：,因此，,光电子能量,为：,2009-05-30,28,2),光电截面,入射光子,与,物质原子,发生,光电效应,的,截面,称之为,光电截面,。,k,为,k,层光电截面,理论上可给出的光电效应截面公式。,2009-05-30,29,对：,，即非相对论情况,，经典电子散射截面，又称,Thomson,截面,。,对：,，即相对论情况,对：,与,吸收限,有关，在吸收限,处出现阶跃而成锯齿状。,2009-05-30,30,光电效应截面,小结,：,对于,选择探测器,的,材料,的提示：,对,防护、屏蔽,射线,的提示：,(1),与吸收材料,Z,的关系,光子能量越高,，,光电效应截面越小,。,(2),与射线能量的关系,采用,高原子序数的材料，,可,提高探测效率,。,采用,高,Z,材料,可以有效阻挡,射线,。,2009-05-30,31,+,+,+,3),光电子的角分布,光电子的角分布,代表进入平均角度为,方向的,单位立体角内,的,光电子数的比例。,相对,于,入射,光子方向,的角度。,2009-05-30,32,在,不同出射方向,光电子的,产额,是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是,微分截面,。,光电子角分布的特点,：,(1),在,0,和,180,方向,没有光电子,飞出；,(2),光电子在,哪一,角度出现最大概率,与,入射光子能量有关,；当入射光子,能量低,时，光电子趋于,垂直方向发射,，当光子,能量较高,时，光电子趋于,向前发射,。,2009-05-30,33,2,、康普顿效应,康普顿效应,是,射线,(,光子,),与,核外电子,的,非弹性碰撞,过程。在作用过程中，入射光子的,一部分能量,转移给,电子,，使它脱离原子成为,反冲电子,，而光子受到散射，其,运动方向,和,能量,都,发生变化，,称为,散射光子。,康普顿散射,可近似为,光子,与,自由电子,发生相互作用（,弹性碰撞,）。康普顿效应主要发生在原子中结合的,最松的,外,层电子上。,2009-05-30,34,1),反冲电子,与,散射光子,的,能量,与,散射角,及,入射光子,能量,之间的关系,光子的能量：,电子的动能：,光子的动量：,电子的动量：,相对论关系：,2009-05-30,35,由,能量守恒,由,动量守恒,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,2009-05-30,36,小结：,(1),散射角,0,时，,表明：,入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。,(2),散射角,180,时，,散射光子能量最小,，而,反冲电子能量最大,。,(3),散射角,在,0,180,之间连续变化；反冲角,在,90,0,相应变化。,2009-05-30,37,2),康普顿散射截面,入射光子,与,单个电子,发生,康普顿效应,的,截面,称之为,康普顿散射截面,。,近似与光子能量成反比。,近似与入射光子能量无关，为常数。,2009-05-30,38,对,整个原子,的康普顿散射的,总截面,Z,大,，康普顿散射截面,大,；,入射粒子能量,大,，康普顿散射截面,小,。,康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。,2009-05-30,39,其中,康普顿散射的,微分截面,表示,散射光子,落在某,方向,单位立体角,内的,概率,。,可由,Klein,Nihsina,公式给出：,2009-05-30,40,微分截面有时也用 表示,那么，和 什么关系？,2009-05-30,41,3),反冲电子的,角分布,和,能量分布,为,反冲电子,落在,方向,单位立体角内,的概率。,为,反冲电子,落在,方向,单位反冲角内,的概率。,2009-05-30,42,为,反冲电子,落在,E,e,处,单位能量间隔,的概率。,反冲电子,的,能量分布,，即,反冲电子的能谱,。,小结：,(1),任何一种,单能,射线,产生的,反冲电子的动能,都是,连续分布,的。且存在,最大反冲电子动能,。,(2),在,最大反冲电子动能处,，反冲电子数目,最多,，在,能量较小处,，存在一个,坪,。,2009-05-30,43,3,、电子对效应,电子对效应,是当,入射射线,(,光子,),能量,较高,(,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。,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,。,2009-05-30,44,1),正负电子的能量,由,能量守恒,：,因此，,正负电子的总动能,为：,总动能是在,电子,和,正电子,之间随机分配的，都可以从 取值。,由,动量守恒,，电子和正电子应沿着入射光子方向的,前向角度,发射。,2),正负电子的运动方向,而且，,入射光子的能量越高,，,正负电子的发射方向越是前倾,。,2009-05-30,45,3),电子对效应的截面,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,。,当：稍大于 时：,2009-05-30,46,4,、其他作用过程,(1),相干散射,Rayleigh,散射,，是,低能光子,与,束缚电子,间的,弹性散射。,其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是,弹性散射,。而康普顿散射是非弹性散射。,(2),三产生,当入射光子能量,大于,10MeV,后，在电子对产生的同时，核外还会发射一个电子，即产生“,一电子对,”加“,一反冲电子,”。,2009-05-30,47,5,、物质对,射线的吸收,(1),窄束射线强度的衰减规律,为光子与吸收物质作用的截面；,N,为吸收物质单位体积的原子数；,I,0,为,射线入射强度；,D,为吸收物质厚度。,2009-05-30,48,对上面的方程积分：,在,t,t,+,dt,层内,单位时间光子数的变化,为：,等于在该层物质内,单位时间发生的作用数。,光子束通过物质时的强度为：,其中：,线性吸收系数，,又称为,宏观截面,2009-05-30,49,质量吸收系数：,质量厚度：,质量吸收系数,与,物质状态,无关。,与带电粒子不同，,射线没有射程,的概念。窄束,射线强度衰减服从,指数衰减规律,，只有,吸收系数,及相应的,半吸收厚度,的概念。,(2),非窄束射线强度的衰减规律,积累因子,2009-05-30,50,5.5,中子与物质的相互作用,1,、,中子的,分类,2),中能中子：,1KeV,0.5MeV,。,1),慢中子：,0,1KeV,。,包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,3),快中子：,0.5MeV,10MeV,。,4),特快中子：,10MeV,。,热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为,0.0253eV,，中子速度,2.210,3,m/s.,2009-05-30,51,2,、中子的性质,质量：,m,n,1.008665,u,939.565300,MeV,/,c,2,自旋：,s,n,1/2,费米子,电荷：,0,，中性粒子,磁矩：,n,1.913042,N,中子寿命：,发生,衰变的半衰期,T,1/2,=10.60,min,2009-05-30,52,3,、,中子与物质的相互作用,1.,中子的散射,1),弹性散射,(,n,n,),中子不带电，与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。,出射粒子仍为,中子,、剩余核仍为,靶核,。,出射中子的动能：,反冲核的动能：,当反冲核为,质子,(,氢核,),时，,M,m,，上式变为：,当,=0,时，,反冲质子,能量最大，,T,p,=,T,n,2009-05-30,53,反冲质子,在,实验室座标系,中的,能量分布,的,概率密度函数,为：,即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其,反冲质子,的,能量分布,是一个,矩形,，最大能量为,T,n,，最小为,零,。这个关系可用于,快中子能谱,测量。,2),非弹性散射,(,n,n,),入射中子的能量损失不仅使靶核得到,反冲,，且使靶核处于,激发态,。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个,特征,光子,，在,核分析技术,中有重要的应用。,2009-05-30,54,2.,中子的俘获,1),中子的,辐射俘获,(,n,),中子射入靶核后与靶核形成一个,复合核,，而后,复合核,通过发射一个或几个,特征,光子,跃迁到基态。这些特征 光子,不同于,(,n,n,),的特征 光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“,中子感生瞬发射线,”，同样在核分析技术中有重要的应用。,复合核的形成。,当发生,(,n,),反应后，,新形成的核素,是,放射性的,，就是常说的“,活化,”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。,2009-05-30,55,2),发射带电粒子的中子核反应,如,(,n,),，,(,n,p,),等，这些反应在中子探测中应用很多，成为,探测中子的主要手段,。,如,(n,2n),，,(,n,np,),等，这些反应的阈能较高，在,8,10MeV,以上，只有特快中子才能发生。,3),裂变反应,(,n,f,),4),多粒子发射,2009-05-30,56,