射線與物質的相互作.ppt

第五節(jié) 射線與物質的相互作用,前面介紹了放射性核素會放出 、 、 和中子等射線。 掌握各種射線與物質相互作用的規(guī)律有三方面意義： (1) 對射線進行必要的防護，以免對人體造成危害；,、,、,、,、,、,、,(2) 對各種射線加以利用，使之用來治病、診斷和測厚、探傷及育種等等；,、,、,人頭核磁共振圖,考古斷代,(3) 以便制造出各種有效的探測器械。 原子核在衰變過程中發(fā)出的各種射線通過物質時，將和物質發(fā)生的一系列相互作用。,、,、,、,、,粒子 軌跡圖,下面就原子核在衰變過程中發(fā)出的各種射線通過物質時，將和物質發(fā)生的一系列相互作用進行分類介紹。,一、 射線與物質的相互作用： 射線是電磁波，波長比 X 射線更短。 射線透過物質時將會逐漸減弱，其強度隨吸收物的厚度按指數規(guī)律衰減： 線衰減有兩種原因，一是吸收，二是散射(改變方向，沒有能量散失)，因此是由兩部分構成的。,、,、, 光子進入物質被吸收的方式有以下幾種： 光電效應、康普頓散射和電子對生成。 此外還可能發(fā)生光致核反應、核共振反應和相干散射，只是可能性一般很小。,當能量很高(大于 30 MeV )時，才考慮光致核反應和核共振反應； 而當能量很低(小于 100 keV )時，才慮及相干散射。,1光電效應 (photo electric effect), 當 光子與物質中原子相互作用時，將其全部能量交給原子中的內層電子(主要是 K 殼層電子，也可以是 L 殼層或其他殼層的電子)，電子獲得能量后，隨即脫離原子而飛出。,光電效應 K 殼層電子獲能后，飛出原子。,K 層,光電效應 L 殼層電子獲能后，飛出原子。,L 層,光電效應中 釋放的電子 叫光電子。 當光電子的 能量等于或 略高于殼層電子與原子的結合能時， 發(fā)生這種過程的幾率最大。,在醫(yī)學上常用能量較低的 和 X 射線跟原子序數較高的物質作用時，光電效應往往占主導地位。 在光電效應中，由于發(fā)射了光電子的原子內殼層上出現了一個空位，因而該原子便處于激發(fā)態(tài)，但這一空位很快將被外層電子填充掉，并放出該元素的標識射線。,L層,K 層,M層,所以，在光電效應發(fā)生時，照射的光子被消失， 伴隨著出現光電子和元素的標識譜線。 模式圖,Kr,K,2康普頓散射效應 能量較大的 光子與原子中比較外層的、束縛不太緊密的電子相碰撞時， 光子將其部分能量傳給較外層的電子，使之脫離原子成為反沖電子，而 光子由于損失一部分能量，就改變了頻率和運動方向。,M 層電子飛出原子。光子損失部分能量，改變了頻率和運動方向。,M層,對于散射作用來說，入射光束在其前行方向上的射線強度有明顯的減弱。,另一種散射過程是： 光子與原子核結合較緊密的內層電子碰撞時，光子只是改變其行進的方向，但光子的能量可以不損失。 原因 內層電子被原子核緊緊地束縛著，故只能吸收特定的能量。當光子的能量不足以把內層電子轟出原子時，內層電子也不會吸收能量。,光子只改變行進方向，但光子的能量不損失。,K層,以上兩種情況統(tǒng)稱為散射。 只有光子的散射才能使射線在原來前行方向上的強度有所減弱。 物質中發(fā)生的大多數散射效應，是屬于中等能量的光子。,3對電子生成 ( pair production ) 入射光子的能量大于兩個電子的靜止質量所對應的能量 ( 大于 1.02 MeV )， 光子經過原子核附近時，在原子核場的作用下會轉化為一個正電子 ( positron ) 和一個負電子，這一現象叫做對電子生成。,光子能量一部分轉變?yōu)檎?、負電子?靜止質量外，剩余能量轉化為正、負電子的動能。,雖然在真空中正電子是穩(wěn)定的，但它在物質中卻不能長期存在， 正電子與物質中的原子碰撞后將逐漸失去其動能。 4.電子對湮滅 ( pair annihilation ) 正電子與一個負電子結合，并一起化為兩個反方向飛行的、同能量（0.511 MeV）的光子對。,射線的穿透能力比 X 射線還要強。 當射線通過物質并與原子相互作用時會產生光電效應、康普頓效應和正負電子對三種效應。 原子核釋放出的光子與核外電子相碰時，會把全部能量交給電子，使電子電離成為光電子，此即光電效應。,光電效應: 因核外電子殼層出現空位，將產生內層電子的躍遷并發(fā)射 X 射線標識譜。 高能光子（2兆電子伏特）的光電效應較弱。,低能量 光子和高原子序數的物質作用，以光電效應為主；,康普頓效應: 光子的能量較高時，除上述光電效應外，還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞， 光子的能量和運動方向均有改變，從而產生康普頓效應。,中等能量光子則以康普頓散射為主,正負電子對: 當光子的能量大于電子靜質量的兩倍時，由于受原子核的作用而轉變成正負電子對，此效應隨光子能量的增高而增強。,低能量 光子以光電效應為主；,中等能量光子則以康普頓散射為主,在高能 光子以電子對生成為主。, 光子與物質作用的三種形式與光子的能量和物質的原子序數有關。,光子不帶電，故不能用磁偏轉法測出其能量， 通常利用光子造成的上述次級效應間接求出，例如通過測量光電子或正負電子對的能量推算出來。 此外還可用譜儀（利用晶體對射線的衍射）直接測量光子的能量。,由熒光晶體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數器是探測射線強度的常用儀器。 通過對射線譜的研究可了解核的能級結構。 射線有很強的穿透力，工業(yè)中可用來探傷或流水線的自動控制。,射線對細胞有殺傷力，醫(yī)療上用來治療腫瘤。,刀放射療法：,二、帶電粒子與物質的相互作用： +、-、 等射線都是由帶電粒子組成的。 當這些運動著的帶電粒子在物質中穿行時，因損失能量而使其速度將逐漸降低，能量主要消耗于使原子電離或激發(fā)上。這種能量損失常稱做電離損失。,1電離： 直接電離（ionization） 、 射線 都是些高速運動的帶電體，它們在高速運行的途中由于靜電力的作用，使原子或分子中的電子脫離出來，而形成自由電子和正離子。,間接電離(或次級電離) 通常脫離出來的自由電子也具有較大的動能，繼而又引起其他原子或分子的再次電離。 電子損失動能后，最終附著在原子或分子上成為負離子。,同時，高速帶電粒子射線也能使原子或分子處于高激發(fā)態(tài)，這些處于激發(fā)態(tài)的原子或分子將會發(fā)射光子，或將激發(fā)態(tài)的能量轉變?yōu)闊徇\動的能量。 帶電粒子通過物質時，在它所經歷過的路徑上留下許多離子對。,比電離 ( specific ionization ) 每厘米路徑上所產生的離子對數，又稱為電離密度。 比電離的大小取決于帶電粒子的電量、速度和被照射物質的密度，是表征粒子電離本領的強弱。,粒子帶電量多，則作用于原子外層電子的力就大； 速度小，則作用的時間就長； 物質密度大，意味著作用機會相應增加，故所產生的比電離就大。 因此粒子的速度小、電荷量多，物質的密度大，比電離就大；反之就小。,因 粒子的質量 粒子的速度， 在同樣能量的條件下，在同一物質中 粒子的電離比值要比 粒子大得多。,例如 1 MeV 的粒子在空氣中的電離比值為：40000 對離子cm， 而 1 MeV 的 粒子的電離比值只有： 50對離子cm。 同能量的（+）粒子與（-）粒子和物質的作用略有不同，但是一般都近似地認為兩者相同。,與 粒子的電離比值的差別原因有兩點： 其一， 粒子的電量是粒子電荷的兩倍； 其二，同為 1 MeV 能量的和粒子，它們的速度相差很遠， 粒子 光速，而粒子的速度則為光速的 94，幾乎為光速。,故與粒子的比電離有差別。 圖給出了兩種 不同能量的 粒子在空 氣中所產生 的電離比值 隨距離變化的情況。,開始電離 比值較小， 隨著能量漸 次損耗， 粒子速度減 慢， 此時 的電離比值逐漸增大，并達到某一峰值，,曲線(1)對應著能量較小的粒子； 曲線(2)對應于能量較大的粒子。 兩者起始速 率值的不同， 它們的電離 比值也不同。,此后當粒子能量消耗殆盡之時，跟著電離比值便急劇下降至零。,然而對于粒子來說，其質量比 粒子小很多，它在物質中通過時，徑跡甚為曲折復雜，不便于用上面類似的圖形來表示它的電離比值。 通常是采用測量粒子的能量與 粒子的電離比值關系來表征出粒子的電離情況。,測量粒子的能量與粒子的電離比值關系來表征出粒子的電離情況。,2、帶電粒子的散射： 散射 (scattering) 當帶電粒子通過物質時，受原子核靜電作用而改變其運動方向的現象。 依前述知粒子質量遠大于粒子的質量，故粒子的散射現象不太明顯，其徑跡基本上呈一直線，而 粒子的散射則十分明顯。,粒子的散射現象不太明顯，其徑跡基本上呈一直線， 而粒子的散射則十分明顯。,軔致輻射 當帶電粒子深入物質后，受到原子核的阻擋，其速度突然銳減而將其損失的動能以光子的形式輻射出來。,實驗表明，由軔致輻射損失的能量與物質原子序數的平方成正比，而與帶電粒子質量的平方成反比，并隨著帶電粒子能量的增加而增大。 當放射性核素所發(fā)出的粒子能量不夠大時，其軔致輻射可以忽略。,粒子在空氣和水中的輻射損失較少，只是在原子序數較高的鎢和鉛中，輻射損失達到總能量損失的 1。 3、射程 ( range ) 帶電粒子在氣體中由開始到停止所通過的最大距離。,帶電粒子在通過物質時，由于電離、激發(fā)、散射和軔致輻射，其能量不斷地損失，最后停止下來。 （- ）粒子成為自由電子； 而（+ ）粒子將與電子結合轉化為兩個能量各為 0 . 511 MeV 的光子。,能量耗盡后的粒子將俘獲兩個自由電子變成中性的 He 原子；,一般在氣體中粒子的射程為數厘米左右。 例如由鐳 射出的粒子，其開始速度約 15 000 kms，在空氣中的射程約 3.2 cm； 又如釷 的粒子初速度約為20 000 kms，它在空氣中的射程約為 8.2 cm；,但粒子在液體及固體中的射程變短。 實驗表明：電離比值愈大，粒子的能量損失愈快，射程就愈短。 粒子的電離比值 粒子， 故粒子的射程比粒子長得多，即粒子穿透能力強于粒子。,如粒子在生物體內的射程為 0.030.13 mm； 粒子在生物體內的射程為幾至幾十毫米，且粒子在空氣中的射程可達幾米之遙。 因此，在外照射情況下，粒子的危害性不大，也易于防護，而 粒子的危害就大得多了。,在內照射情況下，粒子的電離比值大，傷害很集中，故粒子的傷害嚴重性應尤為注意。 同一種物質對帶電粒子的吸收作用與物質層的厚度有關，也與射線的種類有關。,能量等同的射線，通過不同厚度的空氣時，分別測出通過后的粒子數，就可得射線的吸收曲線， 粒子的數目開始時并不隨吸收體厚度的增加而減少， 但每個粒子的能量在減小，速度在減慢。,當接近射程末端時，粒子數急劇減少為零，,這表明能量單值的粒子的射程基本上趨于一致， 習慣上用粒子在空氣中平均射程來反映它的能量。,實驗表明，物質對粒子的吸收情況遵守指數衰減規(guī)律，即： 式中為射線 在該吸收物質中的線性衰減系數（因物質不同而異）；d 為吸收厚度。,圖為粒子穿過鋁板時的吸收曲線。,可見粒子與粒子的吸收曲線不同。 因為同一放射源發(fā)出的粒子也具有各不相同的能量值， 故能量值小的先被吸收掉， 能量大的經過較厚的吸收體才被吸收掉。,能量值小的先被吸收掉， 能量大 的 經過較 厚的吸 收體才 被吸收掉。,三、不同物質對各種射線的吸收： 粒子的 吸收 用普通的紙 或衣服就可 把粒子吸 收掉。,粒子的吸收 用適當厚 度的鋁阻 止粒子 通過。, 粒子的吸收 射線對物質的穿透力，較、射線都強， 如鐳的線透過 10 cm 厚的鉛時，才減少到 0 . 5 以下(此時仍未被全吸收)， 在水中通過 1 . 5 m 時，僅減少約 1 左右。,粒子的防護 鉛可阻止 粒子通過， 物質密度大 的厚鉛可吸 收粒子。,中子射線的防護 中子不帶電，當它通過物質時，不易直接引起電離和激發(fā)， 所以中子在物質中可以穿過很長距離。 快中子的速度約為光速的 1/10， 在空氣中射程可達 300 m 。,對于中子的衰減分兩個階段： (1) 快中子的慢化， (2) 熱中子的吸收。 熱中子可以被各種物質吸收，而快中子則往往是先使它慢化，然后再以熱中子形式把它們吸收。,伴隨快中子慢化和熱中子吸收過程，還可能發(fā)射射線， 所以在衰減中子的同時，還要注意對次級輻射的屏蔽。 由于中子與原子核間無靜電力作用，故中子極易跟核碰撞接近，,并將部分能量交給原子核，使原子核發(fā)生反沖， 而中子自身減速，并改變運動方向。這個反沖核可使其他原子電離。 實驗表明，中子跟和它質量相接近的原子核碰撞時，損失能量最多，,故中子射線最易被含氫多的物質所吸收如水、石蠟、石墨、普通混凝土、普通土(含水10)等物質。 使中子慢化的過程有兩種，即彈性散射和非彈性散射。 幾兆電子伏以下的快中子，主要靠與輕原子核的彈性碰撞來慢化它們。,小結： 用普通的紙或衣服就可把 粒子吸收掉。 適當厚度的鋁可把 粒子吸收掉。 適當厚度的鉛可吸收掉 粒子。 中子射線最易被含氫多的物質所吸收（如水、石蠟、石墨）。,中子在輕材料中只要經歷數十次彈性碰撞，快中子很快被慢化為熱中子，而被最后吸收掉。 幾兆電子伏以上的快中子、高能中子，主要靠與中等或重原子核的非彈性散射來慢化，,如果這些快中子在 中經歷數次非彈性散射，使快中子能量降至1MeV左右，這些 1 MeV 中子在鐵中須經歷數百次彈性碰撞才會成為熱中子，再被吸收掉。 可見，含氫物質(常用水)與中等或重物質的聯合使用是慢化高能中子的十分有效的方法。,熱中子能被所有物質吸收，但不是任何一種物質都能用來屏蔽熱中子，因為許多物質吸收熱中子時，伴有高能輻射，所以常在屏蔽材料中加進適量的 ，以使這兩種原子核吸收熱中子后，僅放出貫穿能力最差的粒子。,至于快中子慢化和熱中子吸收過程中產生的次級輻射，可用一般衰減 射線的方法來衰減它們， 而用于慢化快中子的重元素本身就起到了部分衰減次級輻射的作用。 高能中子進入原子核內時，能引起三種核反應：,(1)非彈性散射 ( n , n )： 此時中子仍然從核內發(fā)射出來，但能量減小，原子核處于激發(fā)態(tài)； (2)電荷交換反應 ( n , p )： 中子留在核內，發(fā)射一個質子，這相當于原子核傳遞給中子一個正電荷，故稱為電荷交換反應；,(3)中子俘獲反應 ( n , )： 中子存留于核內，其結合能以 光子形式發(fā)射出去。 上述核反應生成物，可能是穩(wěn)定核素，也可能是放射性核素。 在人體內慢中子可引起的核反應有：,在人體內慢中子可引起的核反應有： 這些