核輻射測量與防護2課件

1、第二章 射線與物質(zhì)的作用2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特征1）作用對象：原子（核外電子）原子核2）作用方式：與核外電子發(fā)生非彈性碰撞與原子核發(fā)生非彈性碰撞與原子核發(fā)生彈性碰撞與核外電子發(fā)生彈性碰撞與核外電子發(fā)生非彈性碰撞 帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞導致原子的電離與激發(fā)。引起能量的電離損失。 1）電離自由電子正離子+庫侖作用稱為電子2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特征與原子核發(fā)生彈性碰撞帶電粒子靠近原子核時，由于庫侖作用使入射粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。入射粒子損失的部分能量轉(zhuǎn)移給原子核，絕大部分能量由入射粒子帶走。在此過程中不

2、發(fā)射輻射。粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運動方向變化小。粒子質(zhì)量小，運動狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能將使晶體原子位移，形成缺陷。核庫侖作用反沖2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特征與原子核發(fā)生非彈性碰撞帶電粒子靠近原子核時，由于庫侖作用使入射粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。伴隨著發(fā)射電磁輻射，并大大減弱入射光子的能量，以輻射光子的形式損失其動能，稱為輻射損失。粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運動方向變化小。粒子質(zhì)量小，運動狀態(tài)改變大。核庫侖作用反沖2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特征與核外電子的彈性碰撞帶電粒子靠近原子時，由于與核外電子的庫侖作用使入射

3、粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。入射粒子損失的部分能量轉(zhuǎn)移給原子，在此過程種不發(fā)射輻射。與核外電子的彈性碰撞實際上應視為與整個原子的作用。這種作用只發(fā)生在極低能量的入射粒子身上。原子庫侖作用反沖2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特征1） 粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式 粒子是氦的原子核，帶兩個單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。 粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是電離與激發(fā)。 天然核素衰變放出的粒子能量在48MeV。初始速度約在(12)109cm/s。 由于為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用2 粒子與物質(zhì)的相互作用2) 粒子的射程 4

4、8MeV粒子在其他物質(zhì)中射程可以用它在空氣中的射程，采用布喇格克利曼經(jīng)驗公式計算：ni原子量為Ai的元素所占百分比。2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用2 粒子與物質(zhì)的相互作用3) 粒子與核外電子的作用粒子產(chǎn)生的電離：原電離、次級電離原電離由粒子與原子殼層電子直接作用形成的電離次級電離原電離中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他原子作用產(chǎn) 生的電離平均電離能每產(chǎn)生一對離子（包括原電離與次級電離） 粒子所損耗的平均能量。(1) 平均電離能+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -2.1

5、帶電粒子與物質(zhì)相互作用2 粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子通過物質(zhì)時，在單位距離上由于電離和激發(fā)損失的平均能量稱為(3) 碰撞電離能量損失率m0，e電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v粒子的電荷數(shù)與速度； v /c，c光速；Z介質(zhì)的原子序數(shù)；N介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；W平均電離能；n電離比度；3)粒子與核外電子的作用粒子與核作用形式：盧瑟福散射；核反應。盧瑟福散射粒子與核庫侖場作用而改變方向；核反應進入原子核，使原來的原子核發(fā)生變化，從而產(chǎn)生新核并放出1個或幾個粒子。記為A（,n）B。幾個利用射線完成的著名的核反應：1）利用210Po放出的粒子轟擊9Be制成的靶

6、，可以產(chǎn)生12C和中子（查德威克1932 ），導致中子的發(fā)現(xiàn)：(4) 粒子與原子核的作用2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用2 粒子與物質(zhì)的相互作用2）世界上第一個制造的人工放射性核素約里奧.居里夫婦 1934 年 27Al + 4He 30P + n30Si + e+ + 提供許多種放射性核素,為研究和廣泛應用開辟了廣闊前景例如：超鈾元素的發(fā)現(xiàn) （人工制造） Z = 92 93 94 95 96 114+ 衰變 彈核 靶核 反應產(chǎn)物 4He + 14N 17O + 1H + Q210Po 7.68 MeV開辟了人工方法變革原子核的基本途徑，人類能夠?qū)⒁环N元素變成另一種元素，實現(xiàn)了中世紀“煉金術士們

7、”的夢想3) 盧瑟福進行的第一個 核反應（1919）1) 彈性散射粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，僅改變運動方向，動能不變的作用過程。彈性散射是低能粒子與物質(zhì)作用的主要形式。根據(jù)量子的理論，有對一定能量粒子，有中等元素與重元素，原子核的散射占主要。2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用3 射線與物質(zhì)的相互作用2) 電離與激發(fā) 粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的2030；次級電離約占7080；m0，e電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v粒子的電荷數(shù)與速度； v /c，c光速；Z介質(zhì)的原子序數(shù)；N介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E入射電子動能；3) 韌致輻射高速運動的粒子或其

8、它帶電粒子通過物質(zhì)時，在核庫侖場作用下，改變運動速度，伴隨放出電磁輻射。軔致輻射放出的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線。原子核使用輻射損耗率描述在單位距離上軔致輻射的能量損耗。2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用3 射線與物質(zhì)的相互作用討論：4)當粒子能量為10MeV，Z82（Pb），電離損耗與輻射損耗相等。天然輻射的粒子能量一般小于3MeV，與一般巖石等作用時，輻射損耗可以忽略不計。PbAl5)軔致輻射釋放的X射線，可以作為X射線源，用于X射線熒光分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。電子打在熒光屏上產(chǎn)生X射線電視機顯像管特征: x 射線能量連續(xù) 0 EMax(電子能量) 電視機 高壓

9、15 kV 電子束能量15 keV x 射線能量 0 -15 keV產(chǎn)生機制5)正電子湮滅正粒子與物質(zhì)的相互作用與粒子基本相同。正電子與負電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個 0.511 MeV的 光子。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 轉(zhuǎn)化效率 (100 %） 1）射線被物質(zhì)吸收半吸收厚度：粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過的厚度。射程：粒子經(jīng)過10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小 于1/1000，故將10倍半吸收厚度定義為粒子 的射程。射程單位：cm，g/cm22.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用4 射線與物質(zhì)的衰減射程計算：低能粒子射程可以用以

10、下經(jīng)驗公式 I(d)= I0 e-d 1）射線被物質(zhì)吸收2.1 帶電粒子與物質(zhì)相互作用4 射線與物質(zhì)的衰減兩步過程三種作用效應 光電效應 康普頓效應 電子對效應 產(chǎn)生次級電子電離效應次級電子使物質(zhì)原子電離射線第 1 步初級作用第 2 步次級作用2）射線對物質(zhì)的電離作用2.2 與物質(zhì)相互作用1 概述自由電子原子受激原子2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應1）作用機制2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應1）作用機制光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光電子） 原子 A + X 射線入射光子

11、的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應。光子與自由電子不能發(fā)生光電效應，只有原子核參加反應，才能滿足動量守恒。K層電子發(fā)生光電效應幾率最大、L層次之、M層更小。實際上，80得光電效應發(fā)生在與K層電子得作用上。光電效應伴隨著特征X射線或俄歇電子的發(fā)射。發(fā)射光電子后，靶原子由于內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)態(tài)。2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應2）特點入射射線光電子特征X射線處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過兩種方式退激：外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復到較低的能量狀態(tài)，躍遷過程中，放出電磁輻射，其能量等于兩個電子殼層的結(jié)合能之差。2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應2）特點殼層電子在躍遷

12、過程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外殼層電子，使它從原子中發(fā)射出來。俄歇電子電子躍遷過程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由于其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對每一種元素來說，都是特征的，故稱其為“特征X射線”。2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應2）特點如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫出光電子的能量為2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應3）光電子的能量4）光電效應截面原子的光電截面：一個入射光子與電位面積上一個靶原子發(fā)生光電效應的幾率。光電效應截面與入射光子能量核靶物質(zhì)原子序數(shù)有關a為原子與入射光子發(fā)生光電效應的幾率；K為入射光子在K層發(fā)生光電效應的幾率；當靶物質(zhì)為復雜物質(zhì)時

13、，式中Z應為有效原子序數(shù)式中n在2.24間選擇2.2 與物質(zhì)相互作用2 光電效應4）光電效應截面 光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳給電子使它脫離原子射出而成為“反沖電子”，同時光子損失能量并改變方向成為“散射光子”。 康普頓效應與光電效應的不同之處主要有兩點，一是康普頓效應中反沖電子只獲得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普頓效應發(fā)生在外層電子上，而光電效應主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上。 2.2 與物質(zhì)相互作用3 康普頓效應1）概念設入射光子能量，動量為。散射光子能量為，動量為。反沖電子的動能為，總能量為E，動量為P。散射角，反沖角。則有下列關系式成立： 2.2 與物質(zhì)相

14、互作用3 康普頓效應2）康普頓散射射線能量在不同的散射角方向上，散射光子數(shù)為：單位立體角的微分截面可以按下式計算式中，r0電子的經(jīng)典半徑， r0 =e2/m0C2=2.81810-13cm 0以靜止電子為單位的光子能量0 =h/ m0C22.2 與物質(zhì)相互作用3 康普頓效應3）康普頓散射光子的角分布能量1.02 MeV 的射線與原子核作用產(chǎn)生一對正-負電子的過程。能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M = E /C22.2 與物質(zhì)相互作用4 電子對效應1）概念正電子在自然界是不穩(wěn)定的，壽命10-1010-7s，當其與負電子相遇時，會發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個 0.511 MeV的 光子。利用正物質(zhì)與負物質(zhì)發(fā)生湮滅放出巨大能

15、量的物理原理，人們正在研制反物質(zhì)武器。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量 轉(zhuǎn)化效率 (100 %） 2）正電子湮滅M M + e+ + e- 1 + 2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本條件： 射線能量 E 1.02 MeV3）發(fā)生電子對效應的條件(2) 其他條件必須在核庫侖場的作用下，即在入射的較高能量的伽瑪光子很靠近原子核周圍時，才有可能發(fā)生電子對效應。(1) 能量條件2.2 與物質(zhì)相互作用4 電子對效應4） 原子的電子對效應作用截面(1) 當h稍大于2m0c2時，有：當h稍大于2m0c2時

16、，隨入射射線能量的增加，電子對截面將迅速增加。(2) 當h 2m0c2時，有：當h遠大于2m0c2時，隨入射射線能量的增加，電子對截面的增加速度變緩慢。結(jié)論：不論h為多少，電子對截面都正比于原子序數(shù)的平方。天然伽瑪射線能量范圍：03MeV結(jié)論：當天然射線與巖石作用，電子對效應可以忽略。天然巖石有效原子序數(shù)：1020Pb：對3MeV伽瑪射線，電子對效應占總效應的15；Al：對3MeV伽瑪射線，電子對效應占總效應的0；射線與物質(zhì)相互作用時，三種作用效應是相互競爭的。2.2 與物質(zhì)相互作用4 電子對效應5）討論當入射光子能量高于1.02Mev時，這三種效應在相互作用時都可能發(fā)生。當入射光子能量低于1

17、.02Mev時，只有光電效應與康普頓效應能發(fā)生。若用 分別表示入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應、康普頓效應的截面，則入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生作用的總截面為：當 時 。三種效應的截面均與物質(zhì)的原子序數(shù)有關，存在下述關系： ph和e均隨入射光子能量增大而降低，而p在能量大于等于1.02MeV以后，隨Er的增大而增大。 5 三種作用效果比較三種主要效應的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關系 射線與物質(zhì)的相互作用三種相互作用方式比較 作用幾率大于總幾率50區(qū)域元素主要作用區(qū)（MeV）起始作用區(qū)（MeV）光電康吳電子對光電康吳電子對鋁153.0銅102.0鉛52.0不同介質(zhì)中各種效應為主的射線能量范圍對中

18、等能量的射線，在各種介質(zhì)中都以康吳效應為主；對低能射線與重物質(zhì)，以發(fā)生光電效應為主；對高能射線與重物質(zhì)，以發(fā)生電子對效應為主。結(jié)論：射線通過介質(zhì)時由于同物質(zhì)的三種相互作用,光子的數(shù)量不斷的減少,物質(zhì)層越厚減少得越多，這種現(xiàn)象稱做對射線的吸收。厚 度 X I0 I 所謂單色窄束射線，是指單能，并經(jīng)過準直處理，只有沿入射方向才有射線射出的測量條件。2.3 射線在物質(zhì)中的衰減1 單色窄束通過物質(zhì)1）概述經(jīng)過厚為X的物質(zhì)后，在X+dX處被吸收的射線數(shù)應該引入比例系數(shù)，有解上述微分方程有結(jié)果表明：射線數(shù)目隨通過介質(zhì)層厚度增加而減小，服從指數(shù)衰減規(guī)律。 2.3 射線在物質(zhì)中的衰減1 單色窄束通過物質(zhì)2）衰

19、減規(guī)律指數(shù)衰減因子 線性吸收系數(shù)（1）線吸收系數(shù)是由于伽瑪射線通過物質(zhì)時，發(fā)生三種衰減效應的總效應之和：（2）線吸收系數(shù)的單位是：cm-1（3）線吸收系數(shù)的物理意義：當射線穿過單位距離介質(zhì)時，單個光子被損失掉的幾率。2.3 射線在物質(zhì)中的衰減1 單色窄束通過物質(zhì)3）討論（4）線性吸收系數(shù)與入射射線、作用介質(zhì)有關： a）射線能量高 值小 b） 原子序數(shù)高 值大能量（MeV) 鉛（Pb) cm-1 鋁（Al）cm-1 0.6 1.6 0.2 1.0 0.8 0.18 2.0 0.5 0.1鉛和鋁吸收系數(shù)（5）對于某一確定能量，每一種介質(zhì)有一確定的線性吸收系值，該值是、作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)。/ 質(zhì)

20、量衰減系數(shù)（1）伽瑪射線通過物質(zhì)時，被吸收的多少，不僅與物質(zhì)的原子序數(shù)有關，尚與其密度有關。為此，引入質(zhì)量衰減系數(shù)。（2）質(zhì)量吸收系數(shù)/的單位是：g /cm2（3）引入質(zhì)量吸收系數(shù)后，物質(zhì)的厚度一般采用質(zhì)量厚度：Xm。2.3 射線在物質(zhì)中的衰減1 單色窄束通過物質(zhì)3）討論/ 質(zhì)量衰減系數(shù)（4）對于混合物，其質(zhì)量衰減系數(shù)為式中：ci第 i 種物質(zhì)的百分含量； mi第 i 種物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)2.3 射線在物質(zhì)中的衰減1 單色窄束通過物質(zhì)3）討論射線強度減弱1/2 所通過物質(zhì)層的厚度 射線的防護大都選用重金屬鉛、水泥等，構(gòu)成很厚的防護墻。 半吸收厚度 單位：cm物質(zhì)層厚度 0 I / I半吸收厚度(d1/2)測量條件不同處：散射射線可以被部分記錄。厚 度 X I0 I 厚 度 X I0 I 窄束裝置寬束裝置探測器2.3 射線在物質(zhì)中的衰減2 寬束通過物質(zhì)1）單色寬射線束在物質(zhì)中的衰減寬束條件下，介質(zhì)的吸收系數(shù)小余窄束條件：lnI厚度窄束寬束2.3 射線在物質(zhì)中的衰減2 寬束通過物質(zhì)1）單色寬射線束在物質(zhì)