第二章射線與物質(zhì)的相互作用

第二章射線與物質(zhì)的相互作用第1頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三射線與物質(zhì)的相互作用

教學(xué)內(nèi)容：

1、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2、γ射線與物質(zhì)的相互作用第2頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用放射性核素衰變過程中放出的帶電粒子(α、β)穿過空氣、巖石以及機(jī)體組織時(shí)，與這些物質(zhì)相互作用。主要的作用過程有電離、激發(fā)、散射、軔致輻射等，最后被吸收。一、α粒子與物質(zhì)的相互作用1、主要作用過程是電離和激發(fā)當(dāng)具有一定動能的帶電粒子與原子的軌道電子發(fā)生庫倫作用時(shí)，把本身的部分能量傳遞給軌道電子。如果軌道電子獲得的動能足以克服原子核的束縛，逃出原子殼層而成為自由電子，此過程稱為電離。第3頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用。如果軌道電子獲得的能量不足以擺脫原子核的束縛，而是從低能級躍遷到高能級，使原子處于激發(fā)態(tài)，此過程稱為激發(fā)。由電離產(chǎn)生的某些電子，具有足夠的動能，能進(jìn)一步引起物質(zhì)電離，這些電子稱為次級電子或δ射線。由δ射線產(chǎn)生的電離稱為間接電離或次級電離。由入射帶電粒子與物質(zhì)直接作用產(chǎn)生的電離稱為直接電離或初級電離。

2、α粒子電離能量損失率

第4頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

從上式可以得出：

(1)、電離損失與重帶電粒子的電荷z2成正比，說明帶電粒子的電荷z越大，與軌道電子的庫侖作用力越大，因而傳遞給電子的能量越多。

(2)、電離損失與帶電粒子的速度成反比，說明帶電粒子傳遞給軌道電子的能量和相互作用時(shí)間有關(guān)，速度愈小，作用時(shí)間愈長，傳遞給軌道電子的能量愈大。

(3)、電離損失與物質(zhì)的電子密度成正比。

3、α粒子在物質(zhì)中的射程（R)第5頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

從上式可以看出：速度越大（能量E大)射程越大。α粒子射程對曲線A求微分得到曲線B，A曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)Rmax為最大射程。第6頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用二、β射線與物質(zhì)的相互作用1、電離與激發(fā)引起能量損失：2、軔致輻射產(chǎn)生軔致輻射的能量損失率

第7頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（三）、β射線的散射

β粒子在物質(zhì)中與原子核庫侖場作用，發(fā)生不損失能量只改變運(yùn)動方向的彈射散射。（四）、β射線的射程和衰減一定能量的β射線，穿過物質(zhì)幾乎完全被吸收時(shí)的物質(zhì)厚度，稱為β射線的射程。實(shí)驗(yàn)證明，物質(zhì)對β射線的吸收過程比較復(fù)雜，可近似地用指數(shù)規(guī)律來表示為：（五）、放射性物質(zhì)層的自吸收

第8頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用

γ射線與物質(zhì)相互作用的主要過程：一、光電效應(yīng)

不同γ光子能量時(shí)光電子分布

γ射線通過物質(zhì)，與物質(zhì)原子相碰撞，可能使全部能量傳遞給原子，入射的γ射線（光子）全部消失。能量在原子中分配，使結(jié)合能適當(dāng)?shù)碾娮荧@得能量克服原子核的束縛（結(jié)合能）發(fā)射出去，并使原子受到反沖。這樣的作用過程稱為光電效應(yīng)，發(fā)射的電子稱為光電子。第9頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用

1、光電子的動能：入射的γ射線的能量為hv,若軌道電子的結(jié)合能為En，則光電子的動能為

2、發(fā)生光電效應(yīng)的條件是：入射光子的能量必須大于某殼層電子的結(jié)合能。

3、光電吸收（效應(yīng)）截面（又稱光電吸收系數(shù)）：表示γ光子束垂直穿過1cm物質(zhì)層時(shí)產(chǎn)生光電效率的幾率，單位為cm-1。二、γ射線的散射作用產(chǎn)生兩種方式的散射：

第10頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用1、散射后能量不變的，僅改變運(yùn)動方向的稱為彈性散射（又稱相干散射）；2、散射后能量和運(yùn)動方向都發(fā)生變化的散射，稱為康普頓散射（又稱非相干散射）。入射γ射線與原子的殼層電子相碰撞，將一部分能量傳給電子，使獲得的能量的電子沿γ射線入射方向成φ角射出原子之外。損失能量之后的光子成θ角方向散射出去?？灯疹D效應(yīng)示意圖第11頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用

如果入射γ射線能量為Eγ,散射能量為Eγˊ，反沖電子能量為E0。根據(jù)能量和動量守恒定律，三者關(guān)系為：式中：m為反沖電子以速度v運(yùn)動時(shí)具有的質(zhì)量；c為光速；、、mv為γ射線、散射射線和反沖電子的動能。

第12頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用三、電子對效應(yīng)

當(dāng)入射光子的能量大于2m0v2時(shí)，入射γ光子在庫侖場作用下能量完全被吸收，電子從負(fù)能級躍遷到正能級，同時(shí)放出一對正、負(fù)電子，這就是電子對效應(yīng)。

能量關(guān)系為：式中：

；、、

分別為電子、正電子、入射γ射線的能量。電子對效應(yīng)示意圖第13頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線與物質(zhì)的相互作用四、γ射線在物質(zhì)中的衰減

光子在物質(zhì)中穿行一段距離時(shí)，有的與物質(zhì)發(fā)生了相互作用，有的則沒有發(fā)生。經(jīng)過相互作用的光子數(shù)可用發(fā)生相互作用的幾率來表示。線衰減系數(shù)就是入射光子在物質(zhì)中穿行單位距離時(shí)，平均發(fā)生總的相互作用的幾率。若吸收物質(zhì)單位體積中原子數(shù)為N，密度為ρ，入射初始γ射線強(qiáng)度（照射量率）為I0,在物質(zhì)厚度為x處，測得γ射線強(qiáng)度為I；則通過dx厚度，γ射線強(qiáng)度的變化為dI，可用下式表示：解得：

第14頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三γ射線