3射线与物质的相互作用-1(硕).

电离辐射与物质相互作用上海交通大学王德忠教授2013年3月13日2020/1/122/91作用机理电离辐射作用于物质，所引起的某些物理、化学变化，或作用于生物体时所产生的生物效应，几乎都是通过带电粒子把能量传递给物质所引起的。带电粒子的种类很多，最常见的有电子、β射线、质子、α粒子等。凡静止质量大于电子的带电粒子，称为重带电粒子，如μ介子、α粒子、被加速的原子核等。β射线和电子本质上是相同的，通常所说的电子是指核外电子，而β射线则是指原子核发射出来的高速电子。2020/1/123/91重带电粒子μ介子是一种带负电，质量为电子207倍的基本粒子，寿命2.20微秒，质量为106MeV/c2。π介子是以下三种次原子粒子之一：π+、π0和π−，π介子是最重要的介子之一，在揭示强核力的低能量特性中起着重要的作用。π±：质量139.6MeV/c2，平均寿命2.6×10-8sπ0：质量135MeV/c2，平均寿命8.4×10-17sα粒子是一种放射性粒子，由两个质子及两个中子组成，并不带任何电子，亦即等同于氦-4的内核，或电离化后的氦-4，He2+。2020/1/124/91射线与物质相互作用的分类带电粒子辐射不带电粒子辐射重带电粒子中子快电子X-射线和γ-射线,,,,pDTfe2020/1/125/91重带电粒子与物质相互作用2020/1/126/91作用类型作用类型非弹性散射弹性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，散射现象不太明显电离激发损失能量的主要过程2020/1/127/91作用过程带电粒子与物质相互作用的过程是复杂的，主要过程是电离和激发，弹性散射和轫致辐射。其他过程有湮灭辐射、契伦科夫辐射、核反应以及引起物质化学变化等。电离：壳层电子获得足够能量，克服原子核的束缚成为自由电子，原子便被分离成一个自由电子和一个正离子(合称离子对)的过程。正离子e-库仑作用+自由电子2020/1/128/91电离带电粒子与靶原子的核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离或激发，这种电离称为原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，这种电离称为次电离带电粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离，比电离应包括原电离和次电离产生的离子对2020/1/129/91激发激发：壳层电子获得的能量较小，不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去的现象处于激发态的原子是不稳定的，它将自发地跃回基态，这个过程叫退激。退激时，多余的能量常以光子形式释放出来2020/1/1210/91弹性散射弹性散射：带电粒子与被通过介质的原子核发生相互作用，只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关，入射粒子相对于核的质量愈大，则散射愈小。2020/1/1211/91重带电粒子与物质的相互作用能量低于100eV时，重带电粒子通常与核外电子发生弹性碰撞重带电粒子与核外电子主要发生非弹性碰撞，可使原子发生电离或激发无论是电离或是激发都会导致重带电粒子损失动能，使其速度逐渐减慢直到最后停止运动平均电离能：使一个原子电离所需要的平均能量2020/1/1212/91碰撞损失能量指带电粒子与原子中电子碰撞损失的能量假设：带电粒子运动较快；转移的能量大于电子的束缚能；电子静止且自由；碰撞为弹性碰撞满足动能守恒，动量守恒22211111222MVMVmv11MVMVmv1MmVVMm222max12114,222mMEQMVMVEMVMm2020/1/1213/91μ介子与电子碰撞M=207m因此μ介子与物质反应时的路径呈直线（与原子核的大角度反射除外）所有的重带电粒子与此相似若电子质量为m，π介子=270m，质子=1836mmax2420740.0192208207mmQEmm2020/1/1214/91带电粒子的能量损失一定能量的带电粒子进入物质后，通过多次弹性和非弹性碰撞过程，其能量逐步减少，带电粒子速度被慢化。带电粒子在物质中的能量损失与带电粒子的种类、能量及吸收物质的性质有关。单位路径上带电粒子损失的能量称为带电粒子能量损失率，或称为物质对带电粒子的阻止本领，用符号-dE/dX表示。2020/1/1215/91阻止本领对于重带电粒子而言，其与物质反应只发生弹性碰撞、电离和激发反应，因此阻止本领是两种成分的叠加：一部分是电子阻止本领，是入射粒子的能量转移给靶物质原子中的电子；另一部分是核阻止本领，就是能量转移给靶物质中的原子核。原子核对入射离子的阻止作用称为核阻止。ionndEdEdEdxdxdx电子阻止核阻止2020/1/1216/91阻止本领曲线2020/1/1217/91阻止本领在低能区，电子阻止本领随粒子速度减少而减少，一直降到零，而核阻止本领(-dE/dxn)却随速度的减少而很快增加（1/v2），核阻止本领超过电子阻止本领、达到最大值，最后再降到零。在高能区，对速度远远超过玻尔速度(2.2×106m/s)的重带电粒子，核阻止本领是电子阻止本领的数千分之一。对于能量为10keV的质子来说，核阻止的贡献约占总能量损失的1-2%，能量再高，这种贡献更小，因而可忽略这部分贡献。2020/1/1218/91带电粒子的能量损失电离能量损失：理论计算表明，当一个带电量为ze，质量为me，速度为v的带电粒子进入原子序数为Z的物质时，其电离损失率为me为电子的静止质量；N为单位体积物质中的原子数；B为阻止系数，它与入射粒子的种类和能量有关。对于重带电粒子，2424ionedEzeNBdXmv222222lnln1emvvvBZIcc2020/1/1219/91有效原子序数对应于某种混合物或化合物的一个原子序数，该混合物或化合物与光子的相互作用和具有这一原子序数的单一元素与光子的相互作用是相同的混合物或化合物原子序数：Z1，Z2，……，Zk相应电子数百分组成：N1，N2，……，Nk有效原子序数一个经验公式1/2.942.941niiiZNZ2020/1/1220/91电子阻止本领电离能量损失又称为电子阻止本领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：物质的有效原子序数；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。iondxdE)/(2242222224lnln1eionemvdEzevvNZdxmvIcc2020/1/1221/91电子阻止本领(-dE/dx)ion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•带电粒子电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力愈弱(-dE/dx)ion与带电粒子的质量无关•重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。两者相比可以近似地被看成是无穷大•重带电粒子质量的确切数值对阻止本领没有影响2242222224lnln1eionemvdEzevvNZdxmvIcc2020/1/1222/91电子阻止本领(-dE/dx)ion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，1/v2项变化很小，对数项的影响较大(-dE/dx)ion与物质的密度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2242222224lnln1eionemvdEzevvNZdxmvIcc2020/1/1223/91阻止截面每个原子对重带电粒子的阻止本领可称为原子对重带电粒子的阻止截面Σe（单位是MeV·cm2）N是单位体积的原子数目对于包含K种元素的物质来说，重带电粒子在单位路程上的电离能量损失可用下式计算•ρ：物质的密度；wi：第i种元素的重量百分数；Ai：第i种元素的原子量；N∞：阿佛加德罗常数；Σi：第i种元素原子的阻止截面ionedxdEN1KiiiiANwdxdE12020/1/1224/91重带电粒子在物质中的射程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。带电粒子进入物质直到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离称为带电粒子在物质中的射程。能量为E0（相应速度为v0）的入射带电粒子在物质中的射程为：0000342004VeEEdvvBvNZezmmdXdEdEdxR2020/1/1225/91射程和路径的区别带电粒子的射程和路程重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。2020/1/1226/91射程与能量的关系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：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粒子在空气中的射程E为粒子能量，单位为MeVbaabbaAARR)(318.05.10cmERMeVE7400.56()REcmMeVE42020/1/1227/91不同吸收物质中的射程同一粒子在不同吸收物质中的射程可按Brag-Kleeman公式计算，误差在15%以内，此公式是R、ρ、A分别表示粒子射程(cm)、吸收物质的密度(g/cm3)和原子量；1、2、3表示物质的种类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cm123RRRAAAairRAR4102.32020/1/1228/91α粒子在三种物质中的射程吸收物质α粒子能量(MeV)5678910射程(μm)空气生物组织铝3.5×10343234.6×10356305.9×10372387.4×10391488.9×1031105810.4×103130692020/1/1229/91等效原子量对于由多种元素组成的物质，其等效原子量Aeff应由下式计算：Ai和wi分别是第i种元素的原子量和相对含量对210Po放射源发射的α粒子，在空气中的射程在肌肉内的射程KiiieffAwA12/1MeVE304.5cmR88.30mR8.242020/1/1230/91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。2020/1/1231/91角度岐离由于粒子与靶原子核碰撞时经历小角度偏转，多次碰撞导致粒子偏离原来的运动方向，这种过程也是随机的。有的偏离大，有的偏离小。角度歧离现象示意图2020/1/1232/91快速电子与物质相互作用2020/1/1233/91快速电子与物质的相互作用快速电子包括β射线（正电子和电子）和单能电子束。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。快速电子与物质主要发生三种相互作用：弹性散射、非弹性散射和轫致辐射。一般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。2020/1/1234/91弹性散射电子穿过物质时，运动方向的改变主要是由于原子核的库