第4章 射線及物質(zhì)的相互作用-1

1、 泛指泛指核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應(yīng)產(chǎn)核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應(yīng)產(chǎn)生的各種粒子生的各種粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重離、重離子和裂片等。子和裂片等。p 射線（核輻射）：射線（核輻射）：1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p質(zhì)質(zhì) 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 質(zhì)質(zhì) 量量 ( u )電荷電荷（e)符號(hào)符號(hào)種類種類可見(jiàn)：射線的本質(zhì)就是核輻射粒子可見(jiàn)：射線的本質(zhì)就是核輻射粒子 物質(zhì)的構(gòu)成可由單質(zhì)、化合物或混合物構(gòu)成（包括人體）；物質(zhì)的構(gòu)成可由單質(zhì)、化合物或混合物構(gòu)成（包括人體）；

2、 物質(zhì)的狀態(tài)可以是氣體、液體和固體狀態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)可以是氣體、液體和固體狀態(tài)。p 物質(zhì)：物質(zhì)：載能的粒子對(duì)物質(zhì)載能的粒子對(duì)物質(zhì) : 1 有沒(méi)有作用有沒(méi)有作用 2 具體的作用機(jī)制是什么具體的作用機(jī)制是什么 3 有什么樣的規(guī)律有什么樣的規(guī)律 4 產(chǎn)生什么樣的結(jié)果產(chǎn)生什么樣的結(jié)果p 射線與物質(zhì)的基本作用：射線與物質(zhì)的基本作用：微觀粒子間碰撞有動(dòng)量和能微觀粒子間碰撞有動(dòng)量和能量的傳遞：量的傳遞： 庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用 1 1 電離作用電離作用 2 2 電離效應(yīng)電離效應(yīng) 1、射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于射線與物質(zhì)的相互作用，引起射、射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于射線與物質(zhì)的相互作用，引起射線能量損失、角度偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度衰減，以及

3、造成物質(zhì)的輻射損傷線能量損失、角度偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度衰減，以及造成物質(zhì)的輻射損傷等，這些物理量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，依賴于對(duì)射線與等，這些物理量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，依賴于對(duì)射線與物質(zhì)相互作用的了解程度；物質(zhì)相互作用的了解程度； 研究射線與物質(zhì)的相互作用，在原子和原子核物理、固體研究射線與物質(zhì)的相互作用，在原子和原子核物理、固體物理、核輻射探測(cè)、核輻射防護(hù)、核技術(shù)應(yīng)用和核能利用等許物理、核輻射探測(cè)、核輻射防護(hù)、核技術(shù)應(yīng)用和核能利用等許多領(lǐng)域中有著重要的意義。例如：多領(lǐng)域中有著重要的意義。例如： 研究射線與物質(zhì)相互作用的意義：研究射線與物質(zhì)相互作用的意義： 射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)，一方面射線能量

4、不斷損耗，另射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)，一方面射線能量不斷損耗，另一方面射線損耗的能量使物質(zhì)的分子或原子產(chǎn)生電離或激發(fā)。一方面射線損耗的能量使物質(zhì)的分子或原子產(chǎn)生電離或激發(fā)。 2、從射線與物質(zhì)相互作用的有關(guān)實(shí)驗(yàn)觀察，例如，散射實(shí)、從射線與物質(zhì)相互作用的有關(guān)實(shí)驗(yàn)觀察，例如，散射實(shí)驗(yàn)，能提供有關(guān)原子和原子核結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)；驗(yàn)，能提供有關(guān)原子和原子核結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)； 3、根據(jù)射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制、特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制造各、根據(jù)射線與物質(zhì)相互作用的機(jī)制、特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制造各種核輻射探測(cè)器，并用這些探測(cè)器來(lái)進(jìn)行核物理實(shí)驗(yàn)研究工作，種核輻射探測(cè)器，并用這些探測(cè)器來(lái)進(jìn)行核物理實(shí)驗(yàn)研究工作，如射線能量的測(cè)量、強(qiáng)度測(cè)量

5、和各種核參數(shù)測(cè)量，以及用來(lái)尋如射線能量的測(cè)量、強(qiáng)度測(cè)量和各種核參數(shù)測(cè)量，以及用來(lái)尋找放射性礦藏和各種環(huán)境中的放射性水平監(jiān)測(cè)等；找放射性礦藏和各種環(huán)境中的放射性水平監(jiān)測(cè)等； 4、在原子能工業(yè)，核子醫(yī)學(xué)和核科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了有效地、在原子能工業(yè)，核子醫(yī)學(xué)和核科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了有效地進(jìn)行核輻射防護(hù)，需要根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，選擇防進(jìn)行核輻射防護(hù)，需要根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，選擇防護(hù)層的合適的材料和厚度來(lái)阻止一定能量的某種射線的穿透；護(hù)層的合適的材料和厚度來(lái)阻止一定能量的某種射線的穿透； 5、根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用，可開(kāi)展核技術(shù)在邊緣學(xué)科、根據(jù)射線與物質(zhì)的相互作用，可開(kāi)展核技術(shù)在邊緣學(xué)科、

6、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用研究工作，如離子束分析技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用研究工作，如離子束分析技術(shù)在材料元素成分分析、固體表面層特性分析、離子注入半導(dǎo)體材料材料元素成分分析、固體表面層特性分析、離子注入半導(dǎo)體材料分析、晶格結(jié)構(gòu)和輻射損傷研究等方面的應(yīng)用；工業(yè)上的射線探分析、晶格結(jié)構(gòu)和輻射損傷研究等方面的應(yīng)用；工業(yè)上的射線探傷和測(cè)厚，材料和農(nóng)作物、生物樣品的輻射處理，以及腫瘤疾病傷和測(cè)厚，材料和農(nóng)作物、生物樣品的輻射處理，以及腫瘤疾病的診斷和治療等。的診斷和治療等。 可見(jiàn)，深入了解射線與物質(zhì)的相互作用機(jī)制及射線穿過(guò)物質(zhì)可見(jiàn)，深入了解射線與物質(zhì)的相互作用機(jī)制及射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)發(fā)生的有關(guān)現(xiàn)

7、象，對(duì)了解各種射線探測(cè)器的響應(yīng)特性和各種材時(shí)發(fā)生的有關(guān)現(xiàn)象，對(duì)了解各種射線探測(cè)器的響應(yīng)特性和各種材料對(duì)射線的阻止作用，以及對(duì)分析核物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，都是非料對(duì)射線的阻止作用，以及對(duì)分析核物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，都是非常有用的。常有用的。 射線與物質(zhì)的相互作用，是核類相關(guān)專業(yè)必須深入了解和射線與物質(zhì)的相互作用，是核類相關(guān)專業(yè)必須深入了解和熟練掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。熟練掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。 本課程討論對(duì)象為本課程討論對(duì)象為致電離輻射致電離輻射，輻射能量，輻射能量大于大于10eV。即可使探測(cè)介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。即可使探測(cè)介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。 4.1 概述概述4.2 粒子與物質(zhì)的相互作用粒子與物質(zhì)的相互作

8、用4.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用4.4 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用4.5 射線在物質(zhì)中的衰減射線在物質(zhì)中的衰減4.6 中子與物質(zhì)的相互作用中子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子輻射),(fdp重帶電粒子輻射),(e快速電子非帶電粒子輻射),(x電磁輻射中子 致電離輻射：輻射能量大于10eV量級(jí)的射線。EMVmvMVmv222221212121E（式中：（式中： 為內(nèi)能項(xiàng)為內(nèi)能項(xiàng) ）0E彈性碰撞彈性碰撞（即動(dòng)能守恒）（即動(dòng)能守恒） 0E非彈性碰撞非彈性碰撞（即動(dòng)能不守恒）（即動(dòng)能不守恒） 0E稱為稱為第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)，如入射粒子與處于基

9、態(tài)原子碰撞，且使原子被激發(fā)；原子碰撞，且使原子被激發(fā)； 0E稱為稱為第二類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的原子碰撞，且使其退激。態(tài)的原子碰撞，且使其退激。 帶電帶電粒子通過(guò)粒子通過(guò)庫(kù)侖力庫(kù)侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。與物質(zhì)發(fā)生相互作用。相互作用過(guò)程中，滿足能量守恒相互作用過(guò)程中，滿足能量守恒：碰撞機(jī)制碰撞機(jī)制： 與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。p 從微觀上看：從微觀上看： 碰撞后碰撞后： 入射粒子能量損失；入射粒子能量損失； 或能量、方向改變后出射；或能量、方向改變后出射； 或入射粒子消失，產(chǎn)生新粒子。或入射粒子

10、消失，產(chǎn)生新粒子。p 從宏觀上看：從宏觀上看： 不管作用機(jī)制如何，穿過(guò)物質(zhì)不管作用機(jī)制如何，穿過(guò)物質(zhì)的射線強(qiáng)度比入射強(qiáng)度減小。的射線強(qiáng)度比入射強(qiáng)度減小。 、射線和重離子穿過(guò)靶物質(zhì)時(shí)，與靶物質(zhì)原子發(fā)生相射線和重離子穿過(guò)靶物質(zhì)時(shí)，與靶物質(zhì)原子發(fā)生相互作用?；プ饔?。、和重粒子和重粒子是是荷電粒子荷電粒子光子光子不帶電不帶電與靶物質(zhì)與靶物質(zhì)原子發(fā)生原子發(fā)生作用的機(jī)作用的機(jī)制不同制不同在靶物質(zhì)中的能量損在靶物質(zhì)中的能量損失情況不同失情況不同粒子被物質(zhì)吸收規(guī)律粒子被物質(zhì)吸收規(guī)律也不同也不同導(dǎo)致導(dǎo)致導(dǎo)致導(dǎo)致荷電粒子荷電粒子、和重粒子的和重粒子的質(zhì)質(zhì)量差異很大量差異很大它們?cè)诖┩杆鼈冊(cè)诖┩赴形镔|(zhì)時(shí)的靶物質(zhì)時(shí)的

11、行為也不同行為也不同導(dǎo)致導(dǎo)致有必要有必要考察考察帶電粒子穿帶電粒子穿透靶物質(zhì)時(shí)透靶物質(zhì)時(shí)的行為的行為 在入射帶電粒子與在入射帶電粒子與電子電子的的一次碰撞一次碰撞中，中，電子能獲得的最大電子能獲得的最大能量能量：02max)(4EMmmME質(zhì)子入射時(shí)：質(zhì)子入射時(shí)：0max5001EEp 入射入射帶電帶電粒子粒子在靶物質(zhì)中在靶物質(zhì)中的的慢化慢化過(guò)程過(guò)程： 具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質(zhì)中，將與物質(zhì)原子發(fā)生相互作用。發(fā)生相互作用。 這些相互作用是入射帶電粒子所帶這些相互作用是入射帶電粒子所帶電荷電荷與原子中與原子中核外電子核外電子、原子核原

12、子核發(fā)生的發(fā)生的庫(kù)侖相互作用庫(kù)侖相互作用。 這些相互作用這些相互作用引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損引起電離或激發(fā)、散射和各種形式的輻射損失失，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電，結(jié)果使入射帶電粒子損失動(dòng)能和改變運(yùn)動(dòng)方向。入射帶電粒子粒子在相互作用過(guò)程中逐漸慢化在相互作用過(guò)程中逐漸慢化。 當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過(guò)原子核的庫(kù)侖位壘，并與原當(dāng)然，入射帶電粒子也可穿過(guò)原子核的庫(kù)侖位壘，并與原子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論發(fā)生核反應(yīng)的情況。子核發(fā)生核反應(yīng)。本節(jié)不討論發(fā)生核反應(yīng)的情況。| 載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：載能入射帶電粒子與靶物質(zhì)原子相互作用的主要方式：

13、p 作用對(duì)象：作用對(duì)象： 原子（核外電子）；原子（核外電子）； 原子核原子核p 作用方式：作用方式： 載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過(guò)程慢化過(guò)程，可分為，可分為四種四種，其，其中前兩種是主要的：中前兩種是主要的：(1) 電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過(guò)程非彈性碰撞過(guò)程(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過(guò)程輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過(guò)程(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞p 電離過(guò)程：

14、電離過(guò)程： 如果傳遞給電子的能量足以使電如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子核的束縛，則電子將脫離子克服原子核的束縛，則電子將脫離原子，成為原子，成為自由電子自由電子。 而原子因失去了一個(gè)電子，而成而原子因失去了一個(gè)電子，而成為為正離子正離子。 原子最外層的電子受原子核的束原子最外層的電子受原子核的束縛最弱，縛最弱，最容易發(fā)生在最外層電子最容易發(fā)生在最外層電子。 若發(fā)射出來(lái)的電子有足夠的動(dòng)能，可若發(fā)射出來(lái)的電子有足夠的動(dòng)能，可進(jìn)一步使其它原子發(fā)生進(jìn)一步使其它原子發(fā)生電離作用電離作用。這些高速電子被稱為。這些高速電子被稱為電子電子。 內(nèi)殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層內(nèi)殼層電

15、子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出特征躍遷，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。射線或俄歇電子。p 激發(fā)過(guò)程：激發(fā)過(guò)程： 如果入射粒子如果入射粒子傳遞給電子的能量較少傳遞給電子的能量較少，不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由電子，但可以電子，但可以使原子從低能態(tài)躍遷到相對(duì)使原子從低能態(tài)躍遷到相對(duì)高能級(jí)狀態(tài)高能級(jí)狀態(tài)，這種過(guò)程叫激發(fā)。，這種過(guò)程叫激發(fā)。 處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，瞬間將由高能態(tài)躍遷回基態(tài)（退激）。退間將由高能態(tài)躍遷回基態(tài)（退激）。退激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。激時(shí)，以光的形式釋放出多余能量。

16、 帶電粒子帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子的非核外電子的非彈性碰撞彈性碰撞，導(dǎo)致原子的，導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)電離或激發(fā)，是，是帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)損失動(dòng)能的主要方式式把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量引起的能量損失損失稱為稱為電離損失電離損失。 當(dāng)當(dāng)入射帶電粒子入射帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子核外電子發(fā)生發(fā)生非彈性非彈性碰撞碰撞，以使靶物質(zhì)原子，以使靶物質(zhì)原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)的方式而的方式而損失入射損失入射粒子的能量粒子的能量把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量損失引起的能量損失稱為稱為電離損失電離損失。載載能能入入射射帶帶

17、電電粒粒子子靶物質(zhì)（原子）靶物質(zhì)（原子）核核庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用 入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的入射帶電粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，它與原子核時(shí)，它與原子核之間的庫(kù)原子核之間的庫(kù)侖力作用侖力作用，使入射粒子受到吸引，使入射粒子受到吸引或排斥，從而改變?nèi)肷淞Ｗ拥幕蚺懦猓瑥亩淖內(nèi)肷淞Ｗ拥乃偎俣群瓦\(yùn)動(dòng)方向度和運(yùn)動(dòng)方向。 當(dāng)當(dāng)入射帶電粒子入射帶電粒子與與原子核原子核發(fā)生發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞時(shí)，以時(shí)，以輻射光子輻射光子損失其能量，我們稱它為損失其能量，我們稱它為輻射損失輻射損失。 入射粒子這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射入射粒子這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，伴隨著發(fā)射電磁輻射軔軔致輻射致輻射(bremsstrah

18、lung)。 粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量大，與原子核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。因此，對(duì)對(duì)粒子粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻輻射損失是其重要的一種能量損失方式射損失是其重要的一種能量損失方式。 帶電粒子帶電粒子與與靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而發(fā)生作用而發(fā)生彈性散射彈性散射。 彈性碰撞過(guò)程中彈性碰撞過(guò)程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)量守恒，量守恒，入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖。碰撞后，。碰撞后，絕大絕大部分能

19、量部分能量仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)。核核庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用反沖反沖 彈性散射過(guò)程中，入射粒子和原子核的彈性散射過(guò)程中，入射粒子和原子核的總動(dòng)能不變總動(dòng)能不變，即，即入射粒子入射粒子既不既不輻射光子，輻射光子，也不也不激發(fā)或電離原子核，但入射粒激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其子受到偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變運(yùn)動(dòng)方向改變。 這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞彈性碰撞引起引起入射粒子入射粒子的能量損失的能量損失稱之為稱之為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，我們把原子核對(duì)入射粒子的，我們把原子核對(duì)入射粒子的阻止作用稱為阻止

20、作用稱為核阻止核阻止。 核碰撞能量損失核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子只是在入射帶電粒子能量很低能量很低或或低速重離子低速重離子入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起反散射的主要過(guò)程。反散射的主要過(guò)程。 粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量大，與核碰撞后運(yùn)動(dòng)方向變化小。粒子質(zhì)量小，粒子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子位移，形成缺陷，即造成位移，形成缺陷，即造成物質(zhì)輻射損傷物質(zhì)輻射損傷。 受受核外電子核外電子的庫(kù)侖力作用，入射的庫(kù)

21、侖力作用，入射粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為滿足能量滿足能量和動(dòng)量守恒和動(dòng)量守恒，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)能，但這種能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很小能量的轉(zhuǎn)移很小，比比原子原子中電子的中電子的最低激發(fā)能還小最低激發(fā)能還小，電子的能，電子的能量狀態(tài)沒(méi)有變化，在此過(guò)程中不發(fā)射量狀態(tài)沒(méi)有變化，在此過(guò)程中不發(fā)射輻射。輻射。 這種相互作用方式只是在極低能量這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的的入射粒子入射粒子才需要考慮才需要考慮, 其它情況下完全可以忽略掉。其它情況下完全可以忽略掉。原子原子庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用反沖反沖 實(shí)際上，與核外電子的彈性碰撞是實(shí)際上，與核外電子的

22、彈性碰撞是入射粒子與整個(gè)靶原子入射粒子與整個(gè)靶原子的相互作用的相互作用。p 入射入射帶電帶電粒子粒子在靶物質(zhì)中在靶物質(zhì)中的的吸收吸收過(guò)程過(guò)程： 如果靶物質(zhì)厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原如果靶物質(zhì)厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原子核經(jīng)過(guò)多次彈性和非彈性碰撞，發(fā)生能量損失和角度偏轉(zhuǎn)，快子核經(jīng)過(guò)多次彈性和非彈性碰撞，發(fā)生能量損失和角度偏轉(zhuǎn)，快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子被慢化，最后速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子被慢化，最后帶電粒子的動(dòng)能全部耗盡，停留帶電粒子的動(dòng)能全部耗盡，停留在靶物質(zhì)中。即入射帶電粒子被物質(zhì)吸收了在靶物質(zhì)中。即入射帶電粒子被物質(zhì)吸收了。 對(duì)對(duì)MeV量級(jí)的量級(jí)的粒子和質(zhì)子，整個(gè)慢化過(guò)程所

23、用的時(shí)間為：粒子和質(zhì)子，整個(gè)慢化過(guò)程所用的時(shí)間為：毫微秒（氣體物質(zhì)中）毫微秒（氣體物質(zhì)中）微微秒（固體物質(zhì)中）。微微秒（固體物質(zhì)中）。 上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質(zhì)中單個(gè)原子的上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質(zhì)中單個(gè)原子的作用。實(shí)際上，帶電粒子進(jìn)入靶物質(zhì)后，作用。實(shí)際上，帶電粒子進(jìn)入靶物質(zhì)后，會(huì)遭到許多原子的許多會(huì)遭到許多原子的許多次這樣的碰撞作用次這樣的碰撞作用。 帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用方式的幾率大小，對(duì)于帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用方式的幾率大小，對(duì)于不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區(qū)域，情況完全不同。不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區(qū)域，情況完全不同。 同

24、一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質(zhì)元素也有關(guān)系。同一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質(zhì)元素也有關(guān)系。 這些相互作用中的各種作用方式對(duì)入射帶電粒子的阻止作這些相互作用中的各種作用方式對(duì)入射帶電粒子的阻止作用的貢獻(xiàn)大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要用的貢獻(xiàn)大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要貢獻(xiàn)的相互作用，而忽略其它的相互作用。貢獻(xiàn)的相互作用，而忽略其它的相互作用。 在討論帶電粒子與物質(zhì)相互作用的時(shí)候，需要區(qū)分在討論帶電粒子與物質(zhì)相互作用的時(shí)候，需要區(qū)分“輕輕”帶電粒子（如：電子和正電子）和帶電粒子（如：電子和正電子）和“重重”帶電粒子（如：質(zhì)子、帶電粒子（如：質(zhì)子、氘核氘

25、核d、粒子等），以及區(qū)分快速和慢速粒子，來(lái)分別進(jìn)行討粒子等），以及區(qū)分快速和慢速粒子，來(lái)分別進(jìn)行討論。論。p 小結(jié)：小結(jié)： p 重帶電粒子重帶電粒子(Heavy Charged Particles)： 指質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多的帶電粒子。如指質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多的帶電粒子。如粒子、質(zhì)子粒子、質(zhì)子p、氘核氘核d等。等。p 重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)： 重帶電粒子重帶電粒子均為均為帶正電荷帶正電荷的的離子離子； 重帶電粒子重帶電粒子主要主要通過(guò)通過(guò)電離損失電離損失(與介質(zhì)的核外電子的非彈性碰撞與介質(zhì)的核外電子的非彈性碰撞)而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子而損失能量，同時(shí)

26、使介質(zhì)原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)； 重帶電粒子在介質(zhì)中的重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡運(yùn)動(dòng)徑跡近似近似為為直線直線。 本節(jié)將具體討論本節(jié)將具體討論粒子與物質(zhì)的相互作用粒子與物質(zhì)的相互作用。 粒子是氦粒子是氦(4He)的原子核，帶兩的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。 天然核素天然核素衰變放出的衰變放出的粒子能粒子能量在量在48MeV。初始速度約在。初始速度約在(12)109cm/s。 粒子與物質(zhì)相互作用的主粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是要形式是電離電離與與激發(fā)激發(fā)。 由于由于為重粒子，與物質(zhì)散為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線

27、。是直線。（一）射程（一）射程(Range)的定義的定義 帶電粒子帶電粒子沿入射方向沿入射方向所行徑的所行徑的最大距離最大距離，稱為入射粒子，稱為入射粒子在該物質(zhì)中在該物質(zhì)中的的射程射程R。 入射粒子在物質(zhì)中行徑的入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度稱作稱作路程路程(Path)。對(duì)對(duì)重重帶電粒子：帶電粒子：射程射程路程路程；對(duì)對(duì)輕輕帶電粒子：帶電粒子：射程射程 10GeV，vc ），），Sion表達(dá)式中的表達(dá)式中的B項(xiàng)中項(xiàng)中的對(duì)數(shù)項(xiàng)起主要作用。的對(duì)數(shù)項(xiàng)起主要作用。 曲線曲線a段段：Sion隨入射粒子能量隨入射粒子能量E減小迅速往原點(diǎn)方向下降。減小迅速往原點(diǎn)方向下降。 重帶電粒子在

28、物質(zhì)中消耗一定能量后，粒子速度與電子軌道速度差不多時(shí)，重帶電粒子在物質(zhì)中消耗一定能量后，粒子速度與電子軌道速度差不多時(shí)，它要從靶物質(zhì)中俘獲電子，如它要從靶物質(zhì)中俘獲電子，如粒子俘獲兩個(gè)電子成為氦原子，這樣帶電粒子的粒子俘獲兩個(gè)電子成為氦原子，這樣帶電粒子的有效核電荷數(shù)減少有效核電荷數(shù)減少，則，則Sion減小。減小。 Sion表達(dá)式在低能區(qū)不適用，因?yàn)樵撌降耐茖?dǎo)中假定入射粒子速度比電子表達(dá)式在低能區(qū)不適用，因?yàn)樵撌降耐茖?dǎo)中假定入射粒子速度比電子軌道速度大得多才成立。軌道速度大得多才成立。4 4、Bragg曲線與能量損失歧離曲線與能量損失歧離p Bragg曲線：曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的

29、變化曲線。帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。p 能量損失歧離能量損失歧離(Energy Loss Straggling)： 能量損失歧離能量損失歧離是由是由能量損失是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程能量損失是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程所決定的。所決定的。原因原因 帶電粒子在物質(zhì)中損失帶電粒子在物質(zhì)中損失能量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程：能量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程： 一方面，一定能量的帶電一方面，一定能量的帶電粒子穿過(guò)一定厚度阻止介質(zhì)粒子穿過(guò)一定厚度阻止介質(zhì)時(shí)時(shí)發(fā)生碰撞數(shù)目具有一定的發(fā)生碰撞數(shù)目具有一定的概率分布概率分布； 另一方面，每次碰撞中其另一方面，每次碰撞中其能量損失的多少也是有一定能量損失的多少也是有一定分布的分布的。 一束一束單能的

30、帶電粒子單能的帶電粒子穿過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，透射的帶電穿過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，透射的帶電粒子將粒子將不再具有單一能量不再具有單一能量，而成，而成一能量分布一能量分布（能量的離散）（能量的離散）。（二）平均電離能（二）平均電離能粒子產(chǎn)生的電離：粒子產(chǎn)生的電離：原電離原電離、次級(jí)電離次級(jí)電離原電離原電離由由粒子與原子殼層電子粒子與原子殼層電子直接作用直接作用形成的電離；形成的電離；次級(jí)電離次級(jí)電離原電離中產(chǎn)生的電子原電離中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他繼續(xù)與其他原子作用產(chǎn)生的電離。原子作用產(chǎn)生的電離?？傠婋x總電離 原電離原電離 次級(jí)電離次級(jí)電離平均電離能平均電離能(W)每產(chǎn)生一對(duì)離子（包括原電離與次級(jí)電離），

31、每產(chǎn)生一對(duì)離子（包括原電離與次級(jí)電離），帶電粒子（如帶電粒子（如粒子）所損耗的平均能量。粒子）所損耗的平均能量。NEW N初始動(dòng)能為初始動(dòng)能為E的帶電粒子被介質(zhì)的帶電粒子被介質(zhì)完全阻止時(shí)形成的離子對(duì)數(shù)。完全阻止時(shí)形成的離子對(duì)數(shù)。粒子在空氣中產(chǎn)生一對(duì)離子所損耗的平均能量粒子在空氣中產(chǎn)生一對(duì)離子所損耗的平均能量(W值值)約約35.5eV。+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -帶電粒子在穿過(guò)介質(zhì)的帶電粒子在穿過(guò)介質(zhì)的路徑上經(jīng)電離作用產(chǎn)生路徑上經(jīng)電離作用產(chǎn)生的電子和正

32、離子對(duì)的電子和正離子對(duì)（三）比電離（電離密度）（三）比電離（電離密度） 入射帶電粒子（如入射帶電粒子（如粒子）在粒子）在每單位長(zhǎng)度路徑上每單位長(zhǎng)度路徑上產(chǎn)生的產(chǎn)生的離離子對(duì)總數(shù)子對(duì)總數(shù)稱稱比電離（或電離密度）比電離（或電離密度）。下圖表示了下圖表示了粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系：粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關(guān)系：nWdxdESionion電離能量損失率電離能量損失率與與比電離比電離、平均電離能平均電離能之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：iondxdEWdxdEnion比電離：比電離：W平均電離能平均電離能電離能量損失率電離能量損失率 粒子粒子剛進(jìn)入介質(zhì)中時(shí)剛進(jìn)入介質(zhì)中時(shí)， 速度快，與介質(zhì)原子

33、的作速度快，與介質(zhì)原子的作用時(shí)間短，比電離??；在用時(shí)間短，比電離小；在射程末端前射程末端前， 粒子速度粒子速度慢，作用時(shí)間長(zhǎng)，有極大慢，作用時(shí)間長(zhǎng)，有極大值；此后，能量耗盡，比值；此后，能量耗盡，比電離快速衰減到電離快速衰減到0。 粒子在空氣中的比電離約粒子在空氣中的比電離約6600離子對(duì)離子對(duì)/mm，產(chǎn)生此峰值，產(chǎn)生此峰值的粒子能量約的粒子能量約700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。 在曲線開(kāi)始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末在曲線開(kāi)始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末端，比電離值很快增加，過(guò)了峰值

34、之后曲線急劇下降而趨于端，比電離值很快增加，過(guò)了峰值之后曲線急劇下降而趨于零，此時(shí)即到達(dá)了射程的末端。零，此時(shí)即到達(dá)了射程的末端。原因原因p 粒子與核作用形式：粒子與核作用形式：盧瑟福散射、核反應(yīng)盧瑟福散射、核反應(yīng) 盧瑟福散射盧瑟福散射粒子與核庫(kù)侖場(chǎng)作用而改變方向；粒子與核庫(kù)侖場(chǎng)作用而改變方向； 核反應(yīng)核反應(yīng)粒子進(jìn)入原子核，使原來(lái)的原子核發(fā)生根本性粒子進(jìn)入原子核，使原來(lái)的原子核發(fā)生根本性變化，即產(chǎn)生新核并放出變化，即產(chǎn)生新核并放出1個(gè)或幾個(gè)粒子。記為個(gè)或幾個(gè)粒子。記為A（,b）B。 幾個(gè)幾個(gè)利用利用射線射線完成的著名的核反應(yīng)：完成的著名的核反應(yīng)： 利用利用210Po放出的放出的粒子轟擊粒子轟擊

35、9Be制成的靶，可以產(chǎn)生制成的靶，可以產(chǎn)生12C和中和中子（查德威克子（查德威克1932 ），），導(dǎo)致中子的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致中子的發(fā)現(xiàn)：MeVnCBe901. 5101264294 世界上世界上第一個(gè)第一個(gè)制造的制造的人工放射性核素人工放射性核素：PnAl30271934年，小居里夫婦年，小居里夫婦（約里奧（約里奧.居里夫婦居里夫婦 ）SiPT30min5 . 2,302/1 第一個(gè)第一個(gè)人工核反應(yīng)人工核反應(yīng)：1919年，盧瑟福年，盧瑟福)()(1117814742pHONHe214Po 7.68 MeV 粒子粒子是隨是隨衰變放出的衰變放出的快速電子快速電子， 粒子是電子（粒子是電子（ 衰變產(chǎn)生）和正

36、電子（衰變產(chǎn)生）和正電子（+ 衰變產(chǎn)生）的統(tǒng)稱。衰變產(chǎn)生）的統(tǒng)稱。 同一放射源發(fā)射的同一放射源發(fā)射的射線射線（由高速運(yùn)動(dòng)的電子流組成）（由高速運(yùn)動(dòng)的電子流組成）具具有連續(xù)能譜的特性有連續(xù)能譜的特性，這是它與，這是它與大量大量單能單能電子電子的不同之處。的不同之處。粒子平均能量：粒子平均能量：max31EEp 射線的特征：射線的特征：p 快電子（快電子（Fast Electrons）與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：）與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：快電子快電子的的速度大速度大；重帶電粒子重帶電粒子相對(duì)相對(duì)速度小速度??；快電子快電子除除電離損失電離損失外，外，輻射損失輻射損失不可忽略；不可忽略； 重帶電粒子重帶電粒子

37、主要通過(guò)主要通過(guò)電離損失電離損失而損失能量；而損失能量；快電子快電子散射嚴(yán)重散射嚴(yán)重。 重帶電粒子重帶電粒子在介質(zhì)中的在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡運(yùn)動(dòng)徑跡近似為近似為直線直線。（一）彈性散射（一）彈性散射 粒子與軌道電子或原子核在庫(kù)侖場(chǎng)作用下，粒子與軌道電子或原子核在庫(kù)侖場(chǎng)作用下，僅改變運(yùn)動(dòng)方僅改變運(yùn)動(dòng)方向向，動(dòng)能不變的作用過(guò)程動(dòng)能不變的作用過(guò)程（也不輻射能量）（也不輻射能量） 。p 含義：含義：彈性散射是彈性散射是低能低能粒子粒子與物質(zhì)作用的與物質(zhì)作用的主要形式主要形式。根據(jù)量子力學(xué)的理論，有：根據(jù)量子力學(xué)的理論，有： 對(duì)單個(gè)原子核，對(duì)單個(gè)原子核，粒子散射到粒子散射到角的概率與靶物質(zhì)的原子序角的概率與

38、靶物質(zhì)的原子序數(shù)平方成正比，與數(shù)平方成正比，與粒子的動(dòng)能成反比，即：粒子的動(dòng)能成反比，即：2)(ZP核 而對(duì)于而對(duì)于粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質(zhì)的原子粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比，即：序數(shù)成正比，即：ZP)(電子 對(duì)于一定能量的對(duì)于一定能量的粒子，它被原子核及殼層電子的散射粒子，它被原子核及殼層電子的散射幾率的比值為：幾率的比值為：ZPP)()(電子核對(duì)于對(duì)于中等元素與重元素中等元素與重元素，散射形式主要是，散射形式主要是原子核散射原子核散射(例：在鋁介質(zhì)中由殼層電子所引起例：在鋁介質(zhì)中由殼層電子所引起的散射僅占的散射僅占10%)。在在氫介質(zhì)氫介質(zhì)中中(Z=1)

39、，兩種散射效應(yīng)幾乎有，兩種散射效應(yīng)幾乎有同等作用同等作用；p 反散射：反散射： 由于由于粒子粒子(電子電子)質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向， 粒子粒子(電子電子)沿沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，又從入射表面發(fā)射出來(lái)又從入射表面發(fā)射出來(lái)(90)，稱為反散射稱為反散射。從實(shí)驗(yàn)曲線看出：從實(shí)驗(yàn)曲線看出： 對(duì)對(duì)同種材料同種材料，入射，入射粒粒子子(電子電子)能量越低能量越低，反散射反散射越嚴(yán)重越嚴(yán)重；對(duì)；對(duì)同樣能量同樣能量的入的入射射粒子粒子(電子電子)，原子

40、序數(shù)原子序數(shù)越高越高的材料，的材料，反散射反散射越嚴(yán)越嚴(yán)重重。 對(duì)低能對(duì)低能粒子粒子(電子電子)在高在高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達(dá)反散射系數(shù)可達(dá)50。 反散射系數(shù)：反散射系數(shù)：00III 定義：定義：I0進(jìn)入探測(cè)器之前的進(jìn)入探測(cè)器之前的射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度( (源發(fā)出源發(fā)出射線強(qiáng)度的初始值射線強(qiáng)度的初始值) )；I探測(cè)器測(cè)得的探測(cè)器測(cè)得的射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度( (未發(fā)生散射的未發(fā)生散射的射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度) )； 反散射的利用與避免：反散射的利用與避免： 對(duì)對(duì)放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高探測(cè)器的探測(cè)效率。探測(cè)器的探測(cè)效率。方法方法：給源

41、加一個(gè)高：給源加一個(gè)高Z厚襯底。厚襯底。原因原因：放射源的襯底可能使放射源的襯底可能使向探測(cè)器相反向探測(cè)器相反方向發(fā)射的電子方向發(fā)射的電子（放射源具有（放射源具有4發(fā)射角）發(fā)射角）散射回散射回到探測(cè)器而使計(jì)數(shù)率明顯增高到探測(cè)器而使計(jì)數(shù)率明顯增高（當(dāng)襯底材料是（當(dāng)襯底材料是高高Z值元素組成時(shí)，計(jì)數(shù)率的增加會(huì)超過(guò)值元素組成時(shí)，計(jì)數(shù)率的增加會(huì)超過(guò)50%）。 對(duì)對(duì)探測(cè)器探測(cè)器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的測(cè)量偏差測(cè)量偏差。方法方法：使用：使用低低Z材料材料作探測(cè)器的入射窗作探測(cè)器的入射窗和探測(cè)材料。和探測(cè)材料。原因原因：盡量減?。罕M量減小粒子在探測(cè)器及其粒子在探測(cè)器及其周圍物質(zhì)中產(chǎn)生

42、的反散射現(xiàn)象。周圍物質(zhì)中產(chǎn)生的反散射現(xiàn)象。p 粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡： 粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過(guò)物粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過(guò)物質(zhì)的厚度大很多，一般是質(zhì)的厚度大很多，一般是1.54倍。倍。 由于由于粒子受到軌道電子或原子核粒子受到軌道電子或原子核的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此，的散射，其運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，因此， 粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線，不是一條直線，而是而是一條不規(guī)則的折線一條不規(guī)則的折線。 粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲折曲折的。的。粒子的粒子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。粒子的粒子的射程比路程小得多射程比路程小得多。 特征：特征：（二）電離與激發(fā)（

43、二）電離與激發(fā)p 粒子的能量損失率粒子的能量損失率： 對(duì)對(duì)粒子（粒子（快電子），必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的快電子），必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量電離能量損失損失和和輻射能量損失輻射能量損失。radiondxdEdxdEdxdES 粒子與殼層電子發(fā)生相互作用，把部分能量傳遞給殼層電子，粒子與殼層電子發(fā)生相互作用，把部分能量傳遞給殼層電子，使靶物質(zhì)原子使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)電離或激發(fā)，而，而粒子本身的能量則逐漸消耗粒子本身的能量則逐漸消耗。 和和粒子一樣，粒子一樣，粒子由于電離作用和激發(fā)作用在單位長(zhǎng)度上粒子由于電離作用和激發(fā)作用在單位長(zhǎng)度上損失的能量稱為電離能量損失率損失的能量稱為電離能量損失率Si

44、on：ioniondxdESp 電子電子(粒子粒子)電離能量損失率的電離能量損失率的Bethe公式：公式： 粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的2030；次級(jí)電離；次級(jí)電離約占約占7080。根據(jù)。根據(jù)Bethe公式有：公式有：222222220204)11 (81)1 ()112ln()1 (2ln2IEvmvmNZedXdEionm0，e電子的靜止質(zhì)量與電荷；電子的靜止質(zhì)量與電荷；z，v電子的電荷數(shù)與速度；電子的電荷數(shù)與速度； v /c，c光速；光速；Z介質(zhì)的原子序數(shù)；介質(zhì)的原子序數(shù)；N介質(zhì)單位體積（介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目?jī)?nèi)的原子數(shù)目；I吸收介質(zhì)原子的平

45、均電離電位；吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E入射電子動(dòng)能；入射電子動(dòng)能； 射線射線 射線射線徑跡徑跡 粗粗 直直 細(xì)細(xì) 彎彎 電離作用強(qiáng)電離作用強(qiáng) 電離作用嚴(yán)重電離作用嚴(yán)重 產(chǎn)生離子對(duì)數(shù)目多產(chǎn)生離子對(duì)數(shù)目多(比電離值大比電離值大徑跡粗徑跡粗) 電離作用電離作用 Z Z1 1Z Z2 2 /v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序數(shù)入射粒子原子序數(shù) Z Z2 2 靶粒子原子序數(shù)靶粒子原子序數(shù) v v 入射粒子速度入射粒子速度p 射線與射線與射線電離效應(yīng)的比較：射線電離效應(yīng)的比較： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖示實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖示電子徑跡是折線電子徑跡是折線粒子徑跡是一條直線粒子徑跡是一條直線 5.3MeV(210Po)

46、粒子在空氣粒子在空氣中的射程中的射程3.83 cm（三）韌致輻射（三）韌致輻射p 輻射能量損失：輻射能量損失： 帶電粒子帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核原子核的的庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用(與原子核的非彈與原子核的非彈性碰撞過(guò)程性碰撞過(guò)程)，其，其速度速度和和運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化發(fā)生變化，會(huì)伴隨發(fā)射，會(huì)伴隨發(fā)射電磁波電磁波，即即軔致輻射軔致輻射。 韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是韌致輻射所產(chǎn)生的電磁輻射是連續(xù)能量的連續(xù)能量的X射線射線，其能量與，其能量與入射帶電粒子動(dòng)能入射帶電粒子動(dòng)能處于同一數(shù)量級(jí)處于同一數(shù)量級(jí)。原子核原子核 入射粒子為入射粒子為單能單能粒子粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于

47、入射：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的能量；粒子的能量； 入射粒子為入射粒子為粒子粒子：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射：產(chǎn)生的電磁輻射平均能量小于入射粒粒子的平均能量；子的平均能量；p 輻射能量損失率輻射能量損失率 ： 單位路徑上單位路徑上，由于軔致輻射由于軔致輻射而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)而使入射帶電粒子在靶物質(zhì)中損失的能量。中損失的能量。radraddxdES量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：| 討論：討論：222NZmEzdxdESradrad21mSrad ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量m的的平方成反平方成

48、反比比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。即：。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。即：電子的輻射損失比電子的輻射損失比粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。粒子、質(zhì)子等重粒子大得多。ESrad ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子的的能量能量E成正比成正比。即輻射。即輻射損失率損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加隨粒子動(dòng)能的增加而增加。2NZSrad ：輻射損失率輻射損失率與與吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)的的NZ2成正比成正比。所以當(dāng)。所以當(dāng)吸收材吸收材料料原子序數(shù)大原子序數(shù)大、密度大密度大時(shí)，時(shí)，輻射損失大輻射損失大。 因此因此高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射高速電子打到重介質(zhì)上容易產(chǎn)生韌致輻射，從而常用，從而常用較低原子序數(shù)的介質(zhì)

49、（輕介質(zhì)）去屏蔽較低原子序數(shù)的介質(zhì)（輕介質(zhì)）去屏蔽韌致輻射射線韌致輻射射線。當(dāng)要當(dāng)要吸收、屏蔽吸收、屏蔽射線射線時(shí)，時(shí)，不宜選用重材料不宜選用重材料。當(dāng)要當(dāng)要獲得強(qiáng)的獲得強(qiáng)的X射線射線時(shí)，則應(yīng)時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶物質(zhì)選用重材料作靶物質(zhì)。()342ln41371202204CmECmeZNEZdXdErad對(duì)電子對(duì)電子，其，其輻射能量損失率輻射能量損失率為：為： 探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量E 一般一般不超過(guò)幾個(gè)不超過(guò)幾個(gè)MeV，所以，所以，輻射能量損失輻射能量損失只有在只有在高原子序數(shù)高原子序數(shù)(大大Z)的的吸收材料吸收材料中才中才是重要的。是重要的。電子的兩種能量損

50、失率之比：電子的兩種能量損失率之比：E入射電子的能量入射電子的能量()()800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數(shù)吸收材料的原子序數(shù)n 當(dāng)當(dāng)粒子能量為粒子能量為10MeV，Z82(Pb)，電離能量損失率與輻，電離能量損失率與輻射能量損失率近似相等。射能量損失率近似相等。n 天然放射性元素發(fā)生天然放射性元素發(fā)生衰變放出的衰變放出的粒子，其能量一般小于粒子，其能量一般小于3MeV： 與一般巖石與一般巖石(Z較小較小)等作用等作用時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)；時(shí)，輻射損耗可以忽略不計(jì)； 但當(dāng)?shù)?dāng)粒子粒子通過(guò)介質(zhì)的原子序數(shù)較高通過(guò)介質(zhì)的原子序數(shù)較高時(shí)，韌致輻射損

51、耗仍時(shí)，韌致輻射損耗仍占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。占一定比例，實(shí)際工作中不可忽視。7 .3380017. 382ionraddXdEdXdEPb580017. 313ionraddXdEdXdEAl 例：例：214Bi的的粒子粒子(E=3.17MeV)通過(guò)鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：通過(guò)鉛、鋁介質(zhì)時(shí)：E入射電子的能量入射電子的能量()()800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數(shù)吸收材料的原子序數(shù) 當(dāng)當(dāng)粒子能量為粒子能量為3MeV時(shí)，它打到鉛室上會(huì)時(shí)，它打到鉛室上會(huì)產(chǎn)生韌致輻射產(chǎn)生韌致輻射射線射線，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。，會(huì)增大本底計(jì)數(shù)值。 在在測(cè)置裝置的測(cè)置裝置的

52、鉛室內(nèi)壁鉛室內(nèi)壁，往往，往往襯上一層輕物質(zhì)屏襯上一層輕物質(zhì)屏（如（如鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以鋁屏或有機(jī)玻璃屏）以減少散射射線和韌致輻射射線減少散射射線和韌致輻射射線。引起的問(wèn)題：引起的問(wèn)題：解決方案：解決方案： 韌致輻射射線也被用來(lái)作為低能韌致輻射射線也被用來(lái)作為低能X射線源：射線源： 軔致輻射釋放的軔致輻射釋放的X射線，可作為射線，可作為X射線源，用于射線源，用于X射線熒光射線熒光分析，也可用于分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。 如：氚如：氚(T)是是輻射體，其輻射體，其粒子最大能量為粒子最大能量為18KeV，T發(fā)射發(fā)射粒粒子打在鈦靶

53、或鋯靶上，可產(chǎn)生子打在鈦靶或鋯靶上，可產(chǎn)生nn10KeV的的X射線。常把這一射線。常把這一X射線用作較低能量的射線用作較低能量的X射線熒光分析的射線源。射線熒光分析的射線源。（四）線阻止本領(lǐng)（四）線阻止本領(lǐng) S 在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子）在核反應(yīng)可忽略的能量范圍內(nèi)（不是高能電子） ，帶電粒，帶電粒子主要的能量損失方式是子主要的能量損失方式是碰撞電離損失碰撞電離損失和和軔致輻射損失軔致輻射損失?？偟目偟木€阻止本領(lǐng)線阻止本領(lǐng) S 為：為：radiondXdEdXdES總的總的質(zhì)量阻止本領(lǐng)質(zhì)量阻止本領(lǐng) S/ 為：為：radiondXdEdXdES11單位：?jiǎn)挝唬篔 m2 kg-1靶物

54、質(zhì)的密度靶物質(zhì)的密度（五）正電子（五）正電子（ 粒子粒子）的湮沒(méi)）的湮沒(méi) 正電子正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制和和電子相同電子相同。電子。電子與物質(zhì)相互作用的與物質(zhì)相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過(guò)程全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過(guò)程。p 正電子的特點(diǎn)：正電子的特點(diǎn)： 高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化慢化，然后在正電子徑跡的，然后在正電子徑跡的末末端端與介質(zhì)中的電子發(fā)生與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi)湮沒(méi)，放出放出光子光子。 或者，它與一個(gè)電子或者，它與一個(gè)電子結(jié)合成結(jié)合成正電子素，即電子正電子素，即電子正電子對(duì)的束縛態(tài)

55、正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再，然后再湮沒(méi)湮沒(méi)，放放出出光子光子。p 湮沒(méi)輻射：湮沒(méi)輻射：正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為正電子湮沒(méi)放出光子的過(guò)程稱為湮沒(méi)輻射湮沒(méi)輻射。p 湮沒(méi)光子：湮沒(méi)光子：正電子湮沒(méi)時(shí)放出的光子稱為正電子湮沒(méi)時(shí)放出的光子稱為湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子。 正電子湮沒(méi)時(shí)一般放出正電子湮沒(méi)時(shí)一般放出兩個(gè)光子兩個(gè)光子(出射方向相反出射方向相反)，放出，放出三個(gè)三個(gè)光子光子的概率僅為放出兩個(gè)光子概率的的概率僅為放出兩個(gè)光子概率的0.37。 從從能量守恒能量守恒出發(fā)：出發(fā)： 在發(fā)生湮沒(méi)時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，在發(fā)生湮沒(méi)時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒(méi)兩個(gè)湮沒(méi)光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜

56、止質(zhì)量。光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即：即：2221cmcmhhee 從從動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒出發(fā)：出發(fā)： 湮沒(méi)前湮沒(méi)前正、負(fù)電子的正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零總動(dòng)量為零，則，則，湮沒(méi)后湮沒(méi)后兩個(gè)湮沒(méi)光兩個(gè)湮沒(méi)光子的子的總動(dòng)量也應(yīng)為零總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：。即：chch21因此，兩個(gè)因此，兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的能量相同能量相同，各等于，各等于0.511MeV。MeVcmhhe511. 0221而兩個(gè)而兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的發(fā)射方向相反發(fā)射方向相反，且發(fā)射是，且發(fā)射是各向同性各向同性的。的。電子對(duì)的湮沒(méi)電子對(duì)的湮沒(méi)（一）（一）射線被物質(zhì)吸收射線被物質(zhì)吸收p 電子電子(粒子粒子) )穿過(guò)物質(zhì)（

57、介質(zhì)）的特點(diǎn)：穿過(guò)物質(zhì)（介質(zhì)）的特點(diǎn)： 電子與物質(zhì)作用的主要方式為電離、激發(fā)、韌致輻射和散電子與物質(zhì)作用的主要方式為電離、激發(fā)、韌致輻射和散射作用，具有相同能量的電子穿過(guò)同一物質(zhì)時(shí)，其能量損耗仍射作用，具有相同能量的電子穿過(guò)同一物質(zhì)時(shí)，其能量損耗仍有差別，總是圍繞某一數(shù)值漲落。有差別，總是圍繞某一數(shù)值漲落。 射線或單能電子束射線或單能電子束穿過(guò)一定厚度的吸收物質(zhì)時(shí)，穿過(guò)一定厚度的吸收物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度減弱強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象的現(xiàn)象稱為吸收稱為吸收( (或衰減或衰減) )。 盡管由于盡管由于單個(gè)單個(gè)電子電子(粒子粒子)在介質(zhì)中的散射和吸收，在介質(zhì)中的散射和吸收，并不存在并不存在確定確定的射程的射程，然而，然

58、而對(duì)于大量單能電子對(duì)于大量單能電子(電子束電子束)或?qū)τ谕环派湓窗l(fā)或?qū)τ谕环派湓窗l(fā)射出的射出的射線射線，穿過(guò)某種吸收介質(zhì)的最大厚度穿過(guò)某種吸收介質(zhì)的最大厚度可作為特征量進(jìn)行考可作為特征量進(jìn)行考察。察。p 電子束電子束(射線射線) )的吸收的吸收( (或衰減或衰減) )：p 射線射程的定義：射線射程的定義： 當(dāng)當(dāng)射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，幾乎被完全吸收時(shí)的介質(zhì)厚度幾乎被完全吸收時(shí)的介質(zhì)厚度，稱，稱為為射線的射程。射線的射程。p 單能電子束與單能電子束與射線在介質(zhì)中的吸收曲線差別：射線在介質(zhì)中的吸收曲線差別： 由于由于單能電子單能電子和和粒子粒子易受散射，其吸收衰減規(guī)律易受散射，其吸收衰

59、減規(guī)律不同于不同于粒子粒子。但均存在最大射程。但均存在最大射程 Rmax。 射程往往通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：射程往往通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：I0起始點(diǎn)起始點(diǎn) (R=0)處測(cè)得的處測(cè)得的射線強(qiáng)度；射線強(qiáng)度；I與源相距與源相距R處測(cè)得的處測(cè)得的射線強(qiáng)度；射線強(qiáng)度； 射程測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果：射程測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 讓讓射線穿過(guò)吸收片后，射線穿過(guò)吸收片后，到達(dá)探測(cè)器，記錄它的強(qiáng)度隨到達(dá)探測(cè)器，記錄它的強(qiáng)度隨吸收片厚度的變化，作圖得到吸收片厚度的變化，作圖得到吸收曲線。吸收曲線。觀察觀察射線吸收現(xiàn)象射線吸收現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖n 單能電子束與單能電子束與射線的吸收曲線差別：射線的吸收曲線差別： 右圖為右圖為1.9Me

60、V單能電子束和具單能電子束和具有相同最大能量的有相同最大能量的射線垂直進(jìn)入吸射線垂直進(jìn)入吸收體的吸收曲線。收體的吸收曲線。 橫坐標(biāo)：以吸收體面密度表示的厚度；橫坐標(biāo)：以吸收體面密度表示的厚度； 縱坐標(biāo)：穿過(guò)相應(yīng)介質(zhì)厚度后的相對(duì)強(qiáng)度。縱坐標(biāo)：穿過(guò)相應(yīng)介質(zhì)厚度后的相對(duì)強(qiáng)度。 單能電子束的吸收曲線單能電子束的吸收曲線A：存在一：存在一線性變化部分，將這部分線性延長(zhǎng)線性變化部分，將這部分線性延長(zhǎng)與橫軸的交點(diǎn)為其射程。與橫軸的交點(diǎn)為其射程。 射線射線( (粒子束粒子束) )的的吸收曲線吸收曲線B：對(duì)于：對(duì)于粒子束粒子束( (具有連續(xù)能譜具有連續(xù)能譜) )，射，射程是難以直接從吸收曲線確定的。程是難以直接