第二章_辐射防护基础知识(三)射线与物质相互作用

电离辐射与物质相互作用核辐射与物质相互作用重带电粒子与物质相互作用射线与物质相互作用射线与物质相互作用中子与物质相互作用一、重带电粒子与物质的相互作用1.作用类型概述——重带电粒子可与核外电子发生弹性碰撞，仅在其能量低于100eV时有意义，所以一般只考虑带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。重带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的结果可使原子发生电离或激发。1）电离（ionization)——带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用，电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子（次级电子），失去一个电子的原子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。原电离——次级电离——由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离1.作用类型1.作用类型1）电离（ionization)——δ电子——α粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时，可以产生高能电子的电离，出射的电子δ电子可以使物质原子再电离或激发带电粒子通过物质自由电子正离子α+靶原子→正离子+电子+α4He+Ar→Ar++e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用1.作用类型电离密度（ionizationdensity)：带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数，单位为离子对/厘米。比电离应包括原电离和次电离产生的离子对2)激发(excitation)带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发原子退激——激发态的原子不稳定，处在高能态的电子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的能量1.作用类型3）散射（scattering)带电粒子通过物质时，因受物质原子核库仑电场作用，与带正电的原子核发生库仑排斥作用而改变其本身的运动方向，称为散射。入射粒子相对于核的质量愈大，则散射愈小。对于重带电粒子，散射现象不太明显，可以不予考虑1.作用类型1.作用类型电离和激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的主要能量损失。1）传能线密度（linearenergytransfer,LET)带电粒子在一种物质中穿行时单位长度路径上与电子碰撞粒子能量的损失。单位是MeV·cm-12.几个重要概念2.几个重要概念2）带电粒子在物质中的射程–任何一种带电粒子在进入物质以后，通过与物质相互作用而不断地损失能量。如果物质的厚度是足够的，带电粒子最终将完全停留在物质中，这种现象称为物质对带电粒子的吸收，这种物质称为吸收物质。–带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符号R表示。–如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程”多少，就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。2.几个重要概念相同能量的同一种带电粒子在不同物质中的射程有经验公式：式中ρa和ρb、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密度与相对原子量。baabbaAARR重带电粒子在物质中的射程与能量的关系2.几个重要概念在其它物质中的射程R可用在空气中的射程Rair进行换算，其公式如下：式中，A和ρ分别表示吸收物质原子的质量数和密度（单位为g/cm3），R的单位为cm。aivRAR4102.3在其它物质中的射程：2.几个重要概念带电粒子的射程和路程射程和路径的区别2.几个重要概念3）射程歧离–一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。–相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这种现象称为射程歧离。–产生这种现象的原因——每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。3.阻止本领带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称为电离能量损失。把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号表示。脚标“ion”表示是由入射粒子使原子电离或激发所引起的能量损失。iondxdE)/(3.阻止本领式中：Z：重带电粒子的电荷数；e：一个电子的电量，等于1.602×10-19C;Z：物质原子的原子序数；N：物质在单位体积中包含的原子数目；c：光速；V：重带电粒子的速度；me：电子的静止质量I：物质原子中电子的平均等效电离电位。阻止本领的表达式：÷÷÷22222e2421ln2ln4ccZCImNZmezdxdEKeionuuuup3.阻止本领(1)与重带电粒子电荷数的平方成正比。如果α粒子和质子的速度相等，物质对α粒子的阻止本领是对质子阻止本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力也就愈弱。(2)与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子的质量的确切数值就对阻止本领没有影响了。iondxdE)/(iondxdE)/(阻止本领表达式重要结论－1：3.阻止本领(3)与重带电粒子的速度有关。当速度较小时，可以近似地认为电离能量损失率与速度的平方成反比，对数项的数值影响不大；当速度比较高时，项变化很小，对数项的影响较大。(4)与物质的电子密度NZ成正比。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对重带电粒子的阻止本领也越大。iondxdE)/(21uiondxdE阻止本领表达式重要结论－2：二、β射线与物质相互作用1.与物质的相互作用1)快速电子或β射线（正电子和电子）与物质发生三种相互作用：非弹性散射、弹性散射和轫致辐射。2)由于电子的静止质量约是α粒子的1/7000，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大差异。3)快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量损失率接近电离损失率。2.弹性散射1)弹性散射概念（简称散射）——–电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但电子的运行方向变化很大，–电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大。2.弹性散射2)多次散射和反散射电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“多次散射”。电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过多次散射，最终散射角可以大于900，甚至可能是折返去，这种大于900的散射称为反散射。2.弹性散射2.β粒子多次散射和反散射的应用①在β放射源的活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都利用原子序数Z低的物质，这是因为Z低，原子核的库仑场作用小一些。②在进行β源活度的绝对测量时，必须对放射线的反散射衬托物的反射因素造成计数的增长予以修正，利用β射线的反散射计数变化与散射体厚度的关系，可以做成反散射厚度计来测量各种金属薄层及胶片、塑料布等材料的厚度，这是射线反散射技术的一项专门应用。3.非弹性散射非弹性碰撞——–当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系功能不守恒，入射电子将自己的一部分能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发–电子——电子碰撞：实质上是静电相互作用。快速运动电子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用，速度大小和运动方向都发生变化，一部分能量以电磁波的形式辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。4轫致辐射（bremsstrahlung)电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续0–EMax(电子能量)电视机高压15kV电子束能量15keVx射线能量0-15keV产生机制原子核4轫致辐射当+粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev的光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。5湮没辐射（annihilationradiation)正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。e++e-→γ+γme++me-=0.511+0.511MeV质量转化为能量转化效率(100%）γγ5湮没辐射6吸收和射程1)吸收——–无论是单能电子束，还是能量连续分布的β射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。6吸收和射程为何不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况2）在物质中的路径和射程6吸收和射程3）β射线的射程一束单能α粒子具有平均射程，这个射程与α粒子能量有关，对于β射线来说，因为β粒子的能量是从零到Eβ最大连续分布，所以各个β粒子的射程差别很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，所以不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况。4)α射线与β射线电离效应比较α射线β射线径迹粗直细弯α电离作用强电离作用严重产生离子对数目多电离作用Z1Z2/v2Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数v入射粒子速度实验结果6吸收和射程三、射线与物质的相互作用γ射线对物质的电离作用:两步过程三种作用效应光电效应康普顿效应电子对效应产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用光子与物质原子相撞时，把全部能量交给原子的一个轨道电子，光子本身消失，电子获得能量后成为高能电子而摆脱原子核的束缚成为自由电子，使物质电离，此过程称为光电效应。光子能量越低，物质原子序数越大，发生光电效应的几率也越高。1）光电效应（photoelectriceffect)自由电子作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。γ+AA*+e-（光电子）原子A+X射线原子受激原子1)光电效应当光子与核外电子发生非弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿－吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5--1.0MeV时，该效应比较明显。2）康普顿－吴友训效应（Compton--Wueffect)当入射光子能量大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑电场作用下，γ射线消失，转换成一对正负电子（二者又可结合转化为γ光子），此过程称为电子对生成。电子对效应通常发生在能量较大的光子。3)电子对生成（pairproduction)能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。M＋γ→M+e++e-→γ1+γ21.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV为什麽？能量转化成质量M=E/C23)电子对生成三种效应与原子序数和光子能量的关系4)瑞利辐射瑞利散射——–当γ光子能量很低时，它进入物质后与原子壳层电子发生弹性碰撞，受到电子的散射，瑞利散射的几率用μR表示：–R——常量–Z，N——物质原子序数与原子密度–Eγ——入射γ光子的能量22/ERNZR四、中子与物质的相互作用（一）作用类型中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质电离和激发。1)弹性碰撞(elasticcollis