射線與物質(zhì)的相互作用

射線與物質(zhì)的相互作用第1頁/共60頁前面介紹了放射性核素會放出α、β

、γ

和中子等射線。掌握各種射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律有三方面意義：(1)對射線進(jìn)行必要的防護(hù)，以免對人體造成危害；、、第2頁/共60頁、、第3頁/共60頁、、第4頁/共60頁(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；、、第5頁/共60頁第6頁/共60頁第7頁/共60頁人頭核磁共振圖第8頁/共60頁第9頁/共60頁第10頁/共60頁考古斷代第11頁/共60頁第12頁/共60頁第13頁/共60頁第14頁/共60頁(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(zhì)時，將和物質(zhì)發(fā)生的一系列相互作用。、、第15頁/共60頁、、第16頁/共60頁第17頁/共60頁第18頁/共60頁第19頁/共60頁第20頁/共60頁第21頁/共60頁第22頁/共60頁第23頁/共60頁第24頁/共60頁粒子軌跡圖第25頁/共60頁第26頁/共60頁第27頁/共60頁第28頁/共60頁下面就原子核在衰變過程中發(fā)出的各種射線通過物質(zhì)時，將和物質(zhì)發(fā)生的一系列相互作用進(jìn)行分類介紹。第29頁/共60頁一、γ射線與物質(zhì)的相互作用：

γ射線是電磁波，波長比X

射線更短。γ

射線透過物質(zhì)時將會逐漸減弱，其強(qiáng)度隨吸收物的厚度按指數(shù)規(guī)律衰減：

、、第30頁/共60頁γ

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μ是由兩部分構(gòu)成的。

γ

光子進(jìn)入物質(zhì)被吸收的方式有以下幾種：光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對生成。第31頁/共60頁1．光電效應(yīng)(photoelectriceffect)——

當(dāng)γ

光子與物質(zhì)中原子相互作用時，將其全部能量交給原子中的內(nèi)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。第32頁/共60頁光電效應(yīng)——

K

殼層電子獲能后，飛出原子。K層第33頁/共60頁光電效應(yīng)——

L

殼層電子獲能后，飛出原子。L層第34頁/共60頁光電效應(yīng)中釋放的電子叫光電子。當(dāng)光電子的能量等于或略高于殼層電子與原子的結(jié)合能時，發(fā)生這種過程的幾率最大。第35頁/共60頁第36頁/共60頁在醫(yī)學(xué)上常用能量較低的γ

和X

射線跟原子序數(shù)較高的物質(zhì)作用時，光電效應(yīng)往往占主導(dǎo)地位。在光電效應(yīng)中，由于發(fā)射了光電子的原子內(nèi)殼層上出現(xiàn)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(biāo)識射線。第37頁/共60頁

L層K層

M層第38頁/共60頁所以，在光電效應(yīng)發(fā)生時，照射的光子被消失，伴隨著出現(xiàn)光電子和元素的標(biāo)識譜線。模式圖KrKβ第39頁/共60頁2．康普頓散射效應(yīng)

——

能量較大的γ

光子與原子中比較外層的、束縛不太緊密的電子相碰撞時，γ

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γ光子由于損失一部分能量，就改變了頻率和運動方向。第40頁/共60頁M層電子飛出原子。γ光子損失部分能量，改變了頻率和運動方向。M層第41頁/共60頁對于散射作用來說，入射光束在其前行方向上的射線強(qiáng)度有明顯的減弱。第42頁/共60頁另一種散射過程是：光子與原子核結(jié)合較緊密的內(nèi)層電子碰撞時，光子只是改變其行進(jìn)的方向，但光子的能量可以不損失。原因——

內(nèi)層電子被原子核緊緊地束縛著，故只能吸收特定的能量。當(dāng)光子的能量不足以把內(nèi)層電子轟出原子時，內(nèi)層電子也不會吸收能量。第43頁/共60頁光子只改變行進(jìn)方向，但光子的能量不損失。K層第44頁/共60頁以上兩種情況統(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(qiáng)度有所減弱。物質(zhì)中發(fā)生的大多數(shù)散射效應(yīng)，是屬于中等能量的光子。第45頁/共60頁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(zhì)量所對應(yīng)的能量(大于1.02MeV)，光子經(jīng)過原子核附近時，在原子核場的作用下會轉(zhuǎn)化為一個正電子(positron)和一個負(fù)電子，這一現(xiàn)象叫做對電子生成。第46頁/共60頁光子能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎?、?fù)電子的靜止質(zhì)量外，剩余能量轉(zhuǎn)化為正、負(fù)電子的動能。第47頁/共60頁第48頁/共60頁雖然在真空中正電子是穩(wěn)定的，但它在物質(zhì)中卻不能長期存在，正電子與物質(zhì)中的原子碰撞后將逐漸失去其動能。4.電子對湮滅(pairannihilation)

——

正電子與一個負(fù)電子結(jié)合，并一起化為兩個反方向飛行的、同能量（0.511MeV）的光子對。第49頁/共60頁第50頁/共60頁軔致輻射——

當(dāng)帶電粒子深入物質(zhì)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。

第51頁/共60頁三、不同物質(zhì)對各種射線的吸收：1、α粒子的吸收用兩、三張普通的紙，就可把α粒子吸收掉。第52頁/共60頁2、β粒子的吸收阻止β

粒子通過吸收物的厚度，決定于該物質(zhì)密度和電子的初動能。第53頁/共60頁3、γ

粒子的吸收γ射線對物質(zhì)的穿透力，較α、β射線都強(qiáng)，如鐳的γ線透過10cm

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1.5m時，僅減少約

1％左右。第54頁/共60頁γ粒子的防護(hù)鉛可阻止γ

粒子通過，物質(zhì)密度大的厚鉛可吸收γ粒子。第55頁/共60頁第56頁/共60頁4、中子射線的防護(hù)中子不帶電，當(dāng)它通過物質(zhì)時，不易直接引起電離和激發(fā)，所以中子在物