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1、第一节 带电粒子与物质相互作用一、射线与物质的相互作用一、射线与物质的相互作用射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。1.辐射的分类（1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、粒子等。亦可称为干脆致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过很多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。（2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（射线和X射线）和中子等。亦可称为间接致电离辐射，X/射线或中子通过物质时，可能会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速带电粒子再按干脆
2、致电离辐射的方式将能量传递给物质。X/射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。中子的世界在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。中子有多大的可能性和原子核发生反应？中子有多大的可能性和原子核发生反应？微观截面微观截面 Microscopic Cross section设有强度为设有强度为I（#/cm2 s）的单能中子束平行入射到一薄靶上，）的单能中子束平行入射到一薄靶上，该薄靶厚度为该薄靶厚度为 x，靶的核密度为，靶的核密度为N N。平行中子束经过薄靶后强度的变平行中子束经过薄靶后强度的变更量更量I正比于入射中子束的强
3、度正比于入射中子束的强度I、靶的厚度、靶的厚度x及靶的核密度及靶的核密度N.微观截面微观截面Microscopic cross section微观截面表征了一个中子微观截面表征了一个中子和一个原子核相互作用和一个原子核相互作用（发生核反应）的概率（发生核反应）的概率大小。大小。微观截面微观截面Microscopic cross section每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。微观截面工程中常用的单位：靶恩微观截面工程中常用的单位：靶恩(barn)，1靶靶=10-24cm2中子束入射到厚靶上中子束入射到厚靶上Neutron bea
4、m incident on a thick target未经碰撞的中子束强度的衰减规律未经碰撞的中子束强度的衰减规律在在x处处dx间隔内单位面积间隔内单位面积上发生反应的中子数为上发生反应的中子数为宏观截面宏观截面Macroscopic cross sectionN为单位体积内原子核的数目。为单位体积内原子核的数目。where N is the number density of the target nuclei in units cm-3未经碰撞的中子束强度的衰减规律未经碰撞的中子束强度的衰减规律方程：方程：给定边界条件下的解：给定边界条件下的解：宏观截面的物理说明宏观截面的物理说明表征了
5、一个中子和单位体积内全部的原子表征了一个中子和单位体积内全部的原子核发生反应的概率大小。核发生反应的概率大小。为一个中子在介质内穿行单位距离与原子为一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小。核发生反应的概率大小。2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程带电粒子与靶物质原子的碰撞过程 在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几几kev到到20Mev的范围内。在这个能量范围内，带电粒的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦力与靶物质原子发生相互子穿过靶物质时主要通过库伦力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。作
6、用，主要有四种作用方式。（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量削减，速度降低，通外电子获得能量，带电粒子的能量削减，速度降低，通过这种方式损失能量称为电离能量损失。一般是带电粒过这种方式损失能量称为电离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。子穿过物质时损失能量的主要方式。（2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰
7、撞）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞 入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方使入射带电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变更。当带电粒子加速或减速时必定会产生辐射，向发生变更。当带电粒子加速或减速时必定会产生辐射，因此，这种导致带电粒子隧然变速时伴随产生的电磁辐因此，这种导致带电粒子隧然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量射称为轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量损失。损失。（3 3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞）带电粒子与靶物质原子核的
8、弹性碰撞 带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻挡作用称为核阻挡。能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻挡作用称为核阻挡。此过程是引起电子散射严峻的主要因素。此过程是引起电子散射严峻的主要因素。（4 4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞 带电粒子与靶原子
9、核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低（量转移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev100ev）的电）的电子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽视。子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽视。3.带电粒子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损失带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看成是被物质阻挡的过程，把某种吸取物质对带电可以看成是被物质阻挡的过程，把某种吸取物质对带电粒子的线性阻挡本事粒子的线性阻挡本事S定义为
10、该粒子在材料中的微分能定义为该粒子在材料中的微分能量损失量损失dE除以相应的微分路径除以相应的微分路径dx，即：，即：也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。依据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率依据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率、辐射能量损失率Srad及核碰撞及核碰撞能量损失率能量损失率Sn组成，故有：组成，故有：对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。3.带电粒子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损
11、失将具有确定能量的质子、氘核、将具有确定能量的质子、氘核、粒子和粒子和介子等重带电介子等重带电粒子称为快重带电粒子，将全部粒子称为快重带电粒子，将全部z2并失去了部分电子并失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失射能量损失Srad都可以忽视，快重带电粒子的核碰撞都可以忽视，快重带电粒子的核碰撞能量损失能量损失Sn一般很小，但重离子（特殊速度很低时）一般很小，
12、但重离子（特殊速度很低时）的核碰撞能量损失的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损失可与电离能量损失Sion相当。相当。对快电子来说，电离能量损失对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要仍是能量损失的重要方式，但辐射能量损失方式，但辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子也占重要的地位，当电子能量达到几能量达到几Mev时，二者几乎相当。由于电子的质量时，二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失小，核碰撞能量损失Sn所占份额很小，但这会引起严所占份额很小，但这会引起严峻的散射。峻的散射。二、重带电粒子与物质的相互作用二、重带电粒子与物质的相互作用在我们感爱好的能量范围内（大约0.1
13、Mev到20Mev）的重带电粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变更；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞（卢瑟福散射）；（4）核反应。造成能量损失的主要机制是电离和激发，即电离能量损失。但是离子的种类不同，相互作用的方式有所差别。1.能量损失率能量损失率在考虑相对论的状况下，从理论上推出：在考虑相对论的状况下，从理论上推出：1.能量损失率能量损失率关于上式的几个结论：关于上式的几个结论：（1）电离能量损失率与重带电粒子电荷数）电离能量损失率与重带电粒子电荷数z2成正比。如成正比。如和质子的速度相等，物
14、质对和质子的速度相等，物质对粒子的阻挡本事是对质子粒子的阻挡本事是对质子的的4倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，穿透力越差。穿透力越差。（2）电离能量损失率与入射粒子速度）电离能量损失率与入射粒子速度v有关，而与质量无有关，而与质量无关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。因此，只要两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电因此，只要两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电荷数，那么他们的能量损失率就相等。荷数，那么他们的能量损失率就相等。（3）电离能量损失率与物质的电子密度）电离能
15、量损失率与物质的电子密度NZ成正比。成正比。N表表示单位体积内靶物质的原子数，示单位体积内靶物质的原子数，Z是其原子序数，则单是其原子序数，则单位体积内的电子数是位体积内的电子数是NZ。物质密度越大，物质中原子。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对粒子的阻挡本事越强。的原子序数越高，则此种物质对粒子的阻挡本事越强。（4）电离能量损失率与入射粒子的能量有关电离能量损失率与入射粒子的能量有关。4Em0/M2m0v21.能量损失率能量损失率2.比电离比电离 带电粒子穿过物质时，通过电离和激发产生很多电子带电粒子穿过物质时，通过电离和激发产生很多电子离子对，把单位距离上产生的平均离子对
16、数称作比离子对，把单位距离上产生的平均离子对数称作比电离。电离。3.射程射程 带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留在物质中。它沿初始运动方向所行进的最大距离称作在物质中。它沿初始运动方向所行进的最大距离称作入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经的实际轨迹长度称作路程。的实际轨迹长度称作路程。重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导致重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导致其运动方向有大的变更，其轨迹几乎是直线，射程基其运动方向有大的变更，其轨迹几乎是直线，射程基本等于路程。本
17、等于路程。3.射程射程能量为能量为E0的带电粒子的射程的带电粒子的射程R可以表示为：可以表示为：一般用试验测定。一般用试验测定。可以看出粒子的计数率可以看出粒子的计数率n从起先下降到降为零这段距离内从起先下降到降为零这段距离内被全部吸取，把计数率下降为一半的透射距离定义为粒被全部吸取，把计数率下降为一半的透射距离定义为粒子的平均射程子的平均射程R0.对曲线对曲线a求导得到曲线求导得到曲线b，称为微分曲线，代表单位路程上，称为微分曲线，代表单位路程上的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程R0。微。微分曲线分布的宽度表示射程的涨落，表明相同能量的粒分曲
18、线分布的宽度表示射程的涨落，表明相同能量的粒子在同一物质中的射程并不完全相同，这种涨落称为射子在同一物质中的射程并不完全相同，这种涨落称为射程岐离。程岐离。粒子在空气中的射程数据总结出了半阅历公式：粒子在空气中的射程数据总结出了半阅历公式：4.能量岐离能量岐离上面说到了射程岐离，产生此现象的根本缘由是重带电上面说到了射程岐离，产生此现象的根本缘由是重带电粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的能量，都是一个随机量，同样此缘由导致了能量岐离能量，都是一个随机量，同样此缘由导致了能量岐离现象的出现。现象的出现。可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶
19、后，在不同深可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶后，在不同深度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越小，而能量分布越宽，岐离越严峻。小，而能量分布越宽，岐离越严峻。三、电子与物质的相互作用三、电子与物质的相互作用快速电子包括射线（正电子和电子）和单能电子束。由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以与物质的相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大的差异。快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严峻；（3）在电子减速或加速的过程中放射电磁辐射（轫致辐射）；（4）正
20、电子或负电子的湮灭。虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽视。并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部的能量，并显著变更自己的运动方向。1.电离损失电离损失快电子的能量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子快电子的能量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在相与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在相同的能量状况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，同的能量状况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。描述电离能量损失
21、率的公式：描述电离能量损失率的公式：2.辐射损失辐射损失带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁辐射。其能量损失称为辐射损失辐射损失。电磁辐射的强度应正比于z2Z2 NE/m2。对电子的辐射损失率公式：可以看出几个结论：（1）辐射能量损失率与辐射能量损失率与m2成反比成反比。粒子质量越小，轫致辐射强度越大。（2）辐射能量损失率与辐射能量损失率与Z2成正比。成正比。电子打到高原子序数的材料时更易产生轫致辐射。用于产生X射线源。（3）辐射能量损失率与粒子能量辐射能量损失率与粒子能量E成正比。成正比。3.能量损失能量损失快速电子在物质中的能量损失率可表示为：有公式可
22、以看出：电子的能量低时，电离损失占有主要的地位；而电子能量较高时，辐射损失就会越来越占有重要作用。在相对论区，有：4.弹性散射弹性散射电子穿过物质时，运动方向的变更虽与原子核和核外电电子穿过物质时，运动方向的变更虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电子的能量变更很小，但方向变更很大，这就是弹性散子的能量变更很小，但方向变更很大，这就是弹性散射。射。电子穿过物质时要先后受到很多次原子核的弹性散射作电子穿过物质时要先后受到很多次原子核的
23、弹性散射作用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大于于90，甚至可能是，甚至可能是180，通常把大于，通常把大于90的散射称为反的散射称为反散射。散射。fb随反散射体厚度增加而增大，但厚度增加到确定程度随反散射体厚度增加而增大，但厚度增加到确定程度后，后，fb达到饱和。达到饱和。5.电子的吸取电子的吸取试验表明，对于不同的吸取介质，试验表明，对于不同的吸取介质，m随原子序数的增加随原子序数的增加而缓慢的上升，对于同一种介质，吸取系数而缓慢的上升，对于同一种介质，吸取系数m与与粒子粒子最大能量亲密相关。对铝有如下阅历公式：最大能量亲密相关。对铝
24、有如下阅历公式：6.射线的射程射线的射程射线在低射线在低Z材料中的射程有如下阅历公式，材料中的射程有如下阅历公式，当当0.01E 2.5Mev时：时：其中，射程其中，射程R0用质量厚度表示，单位是用质量厚度表示，单位是gcm-2，E为为粒子的最大能量，单位是粒子的最大能量，单位是Mev。7.正电子与物质的相互作用正电子与物质的相互作用正电子在通过物质时，与核外电子及原子核相互作用，正电子在通过物质时，与核外电子及原子核相互作用，损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐射损失。在吸取体中的径迹类似于负电子，其能量损射损失。在吸取体中的径迹类似于
25、负电子，其能量损失率及射程也与初始能量相等的负电子相同。失率及射程也与初始能量相等的负电子相同。特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发生湮灭而消逝，同时放出两个光子。两个湮灭光子能生湮灭而消逝，同时放出两个光子。两个湮灭光子能量均是量均是0.511Mev，发生的方向相差，发生的方向相差180，即总动量是，即总动量是零。零。四、其它形式的辐射四、其它形式的辐射上述探讨了带电粒子穿过介质时的两种主要的能量损失方式电离损失和辐射损失，这也是能量低于20Mev的带电粒子与物质相互作用损失能量的主要过程。对于高能带电粒子而言，除了上述过程外，还会
26、引起切伦科夫辐射和穿越辐射。切伦科夫辐射是快速带电粒子的速度大于光在介质中的速度而产生的。穿越辐射是快速带电粒子从一种介质突然穿越到另一种具有不同光学特性（如不同介电常数）的介质时产生的辐射。上述两种辐射的能量损失与电离损失相比占的比例很小，特殊是低能的粒子，完全可以不考虑在能量损失之中，但是在高能物理中有很重要的意义。其次节、光子与物质的相互作用其次节、光子与物质的相互作用作用方式作用方式：光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应电子对效应电子对效应瑞利散射瑞利散射第一节 光子与物质相互作用 1.光电效应 光子与原子的一个束缚电子相互作用，并将自身全部能量转移给此束缚电子，使之放射出去，而光子本
27、身消逝。T光电子的动能；h入射光子的能量；EB电子的束缚能。光电子打出后，在其原来的壳层产生一个空穴，并且原子处于激发状态，这种激发状态不稳定，退激的过程有两种：1）特征X射线（产额与Z有关）2）俄歇电子 图1.光电效应、特征X射线和俄歇电子的放射示意图 对于K壳层电子，发生光电效应的截面为：其中，C1、C2为常数。可见，（1）原子序数Z越高越简洁发生光电效应；（2）光子能量越高越不易发生光电效应。光电子的角分布光电子的角分布 在光电效应的试验中，光子入射方向（定为在光电效应的试验中，光子入射方向（定为0o方向）和方向）和反方向上（定为反方向上（定为180o方向）均未视察到光电子。方向）均未视
28、察到光电子。1）E很低时，光电子很低时，光电子 趋于趋于90o方向放射方向放射 2）E增加时，光电子增加时，光电子 渐渐向前方向放射渐渐向前方向放射 图图2.不同不同E时的光时的光电子角分布电子角分布 2.康普顿散射康普顿散射 对于能量比较高的对于能量比较高的射线，能够忽视原子壳层电子的束缚射线，能够忽视原子壳层电子的束缚能而将它们视为自由电子，能而将它们视为自由电子，光子可与这些自由电子发生光子可与这些自由电子发生非弹性碰撞，称为康普顿散射。非弹性碰撞，称为康普顿散射。图图3.康普顿散射示意图康普顿散射示意图 康普顿散射符合能量和动量守恒定律：康普顿散射符合能量和动量守恒定律：其中，其中，是
29、以电子的静止能量是以电子的静止能量0.511MeV为单位的入射光子为单位的入射光子的能量，可知，当的能量，可知，当E很大时，很大时，（定值）（定值）。当当=0o时时 ；=180o时时 Eemax即所谓的即所谓的“康普顿边界康普顿边界”。和和存在如下关系：存在如下关系：康普康普顿顿散射截面：散射截面：可见，在光子能量很低时，康普顿散射截面与光子能量无关，可见，在光子能量很低时，康普顿散射截面与光子能量无关，仅与仅与Z成正比，但当光子能量较高时，截面与成正比，但当光子能量较高时，截面与Z成正比，近似地成正比，近似地与光子能量成反比。与光子能量成反比。当入射光子能量增加时，康当入射光子能量增加时，康
30、 普顿散射截面下降，但下降普顿散射截面下降，但下降 速度比光电截面来得慢。速度比光电截面来得慢。图图4.4.电子的康普顿散射截面与电子的康普顿散射截面与 入射光子能量的关系入射光子能量的关系 虽然电子康普顿反应截面随入射光子能量上升而降低，但虽然电子康普顿反应截面随入射光子能量上升而降低，但康普顿电子所得到的平均能量和这种能量占入射光子能量康普顿电子所得到的平均能量和这种能量占入射光子能量的份额的份额fa是随是随E上升而不断增加的，因此可用康普顿散射上升而不断增加的，因此可用康普顿散射截面和的截面和的fa乘积来表示乘积来表示“康普顿吸取截面康普顿吸取截面”。康普顿电子的角分布康普顿电子的角分布
31、 当当=0o变更到变更到180o时，时，=90o变更到变更到0o；康普顿电子；康普顿电子的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。3.电子对效应电子对效应 当光子从原子核旁经过时，受核库仑场的作用，转化为一当光子从原子核旁经过时，受核库仑场的作用，转化为一个正电子和一个负电子，而光子本身消逝，此种过程称为个正电子和一个负电子，而光子本身消逝，此种过程称为电子对效应。电子对效应。图图5.电子对效应示意图电子对效应示意图 光子的能量转化为正负电子对的总能量（动能加静止能量）光子的能量转化为正负电子对的总能量（动能加静止能量）：所以要生成
32、电子对，光子能量必需大于所以要生成电子对，光子能量必需大于2m0c2=1.022MeV,剩余的能量（剩余的能量（h-2m0c2）作为动能在）作为动能在正负电子间安排。正负电子间安排。正电子的湮没正电子的湮没 正电子经减速后就同负电子复合，并放出两个能量为正电子经减速后就同负电子复合，并放出两个能量为0.511MeV的湮没光子。的湮没光子。在对能量较大（在对能量较大（1.5MeV1.5MeV）的）的光子进行辐射测量时，湮光子进行辐射测量时，湮没光子的产生会对测量结果造成确定影响：没光子的产生会对测量结果造成确定影响：湮没辐射峰湮没辐射峰 单、双逃逸峰单、双逃逸峰 图图6.6.运用运用NaINaI
33、探测器测量探测器测量24Na 24Na 射线射线 得到的脉冲幅度谱得到的脉冲幅度谱电子对效应截面电子对效应截面1）能量较低时，）能量较低时，p随随E线性线性 增加，高能时，增加，高能时，p与光子与光子 能量的变更就缓慢一些；能量的变更就缓慢一些；2）无论高能低能，都有）无论高能低能，都有 关系。关系。图图7.电子对电子对效应截面与效应截面与E的关系的关系 4.瑞利散射瑞利散射 即相干散射，是光子同束缚电子间的散射，散射过程中光即相干散射，是光子同束缚电子间的散射，散射过程中光子偏离原方向，但其能量基本上是不变的。子偏离原方向，但其能量基本上是不变的。瑞利散射截面瑞利散射截面 R随随E增加而急剧
34、削减，增加而急剧削减，E200keV时，这种散射不能时，这种散射不能忽视；在忽视；在0o时，瑞利散射最强，一般在时，瑞利散射最强，一般在30o范围内，相干范围内，相干散射效应就大于非相干散射占主要地位。散射效应就大于非相干散射占主要地位。光子的减弱：光子的减弱：光子在物质中的衰减，是上述多种相互作光子在物质中的衰减，是上述多种相互作用的结果，因此总的减弱系数为：用的结果，因此总的减弱系数为：由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本不变，可以看做光子未发生过任何作用，不变，可以看做光子未发生过任何作用，因此在宽束辐射中通常可忽视因此在宽束辐射中通常可忽视R或或R值
35、，值，而只考虑光电效应、康普顿散射和电子对而只考虑光电效应、康普顿散射和电子对效应对光子衰减的贡献。效应对光子衰减的贡献。比较比较k、c 和和p可知：可知：1）三种效应发生的几率都随）三种效应发生的几率都随Z值增大而增大，因此高原子序数的值增大而增大，因此高原子序数的物质对光子具有更好的阻挡作用，这也是物质对光子具有更好的阻挡作用，这也是NaI探测器探测效率比探测器探测效率比HPGe高的缘由高的缘由 2）三者随）三者随E的变更不尽相同，的变更不尽相同，k、c都随都随E增加而降低，但增加而降低，但k降低的速度要比降低的速度要比c快的多，快的多，p随随E的增加而增长的增加而增长 图图8.光子三种效
36、应的优势区域光子三种效应的优势区域 图图9.铅的铅的射射线截面线截面 射线衰减规律射线衰减规律 由由的定义可知的定义可知 两个相关概念：两个相关概念：平均自由程平均自由程 半值层半值层第三节、中子与物质的相互作用第三节、中子与物质的相互作用主要内容：主要内容：作用机理作用机理 作用分类作用分类 反应截面反应截面1.作用机理作用机理 中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、干脆相互中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、干脆相互作用和复合核的形成。作用和复合核的形成。（1）势散射）势散射 最简洁的核反应，中子波和核表面势相互作用，中子并未最简洁的核反应，中子波和核表面势相互作用，中子并未进入
37、靶核，而是将其自身的部分或全部动能传给靶核，成进入靶核，而是将其自身的部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。为靶核的动能。势散射时入射中子变更运动方向和能量，势散射前后靶核势散射时入射中子变更运动方向和能量，势散射前后靶核的内能没有变更，中子与靶核系统的动能和动量守恒，所的内能没有变更，中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射是一种弹性散射。以势散射是一种弹性散射。（2）干脆相互作用）干脆相互作用 入射中子干脆与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里入射中子干脆与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里放射出来，而中子却留在核内。放射出来，而中子却留在核内。中子要发生干脆相互作用，必须要具有较高
38、的能量，一般中子要发生干脆相互作用，必须要具有较高的能量，一般这种作用方式是不重要的。这种作用方式是不重要的。（3）复合核的形成）复合核的形成 入射中子被靶核入射中子被靶核 吸取形成一个新核吸取形成一个新核复合核复合核 ，复合核的形成是中子与原子核发生作用的最重要形式。，复合核的形成是中子与原子核发生作用的最重要形式。中子和靶核在质心坐标系的总动能中子和靶核在质心坐标系的总动能EC和中子的结合能和中子的结合能B构成构成复合核的激发能复合核的激发能EX，处处于激于激发态发态的复合核有几种衰的复合核有几种衰变变或分或分解方式：解方式：（n，p）反）反应应 （n，）反）反应应（n，n）反）反应应（n
39、，n）反）反应应（n，）反）反应应 （n，f）反）反应应 图图10.10.复合核的形成和衰变复合核的形成和衰变 共振现象共振现象 当入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的复合核激当入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的复合核激发态接近一个量子能级时，形成复合核的几率（截面）就发态接近一个量子能级时，形成复合核的几率（截面）就显著地增大，这种现象就叫共振现象。显著地增大，这种现象就叫共振现象。由试验室坐标系的动能由试验室坐标系的动能EL和质心坐标系的动能和质心坐标系的动能EC关系式：关系式：可知，当可知，当EC值等于复合核的一个量子能级与结合能值等于复合核的一个量子能级与结合能B之之差时，中
40、子反应截面会出现一个峰值，此差时，中子反应截面会出现一个峰值，此EC值对应的值对应的EL即为发生共振时中子的动能。即为发生共振时中子的动能。2.作用分类作用分类 由上节的机理分析，我们可把中子与原子核的相互作用分由上节的机理分析，我们可把中子与原子核的相互作用分为两大类：为两大类：散射：有弹性散射和非弹性散射散射：有弹性散射和非弹性散射 吸取：包括辐射俘获、核裂变、（吸取：包括辐射俘获、核裂变、（n，）、（）、（n，p）反）反应等。应等。中子的散射中子的散射 1）非弹性散射）非弹性散射 入射中子的一部分动能转变为靶核的内能，使靶核处于激入射中子的一部分动能转变为靶核的内能，使靶核处于激发态，然
41、后靶核通过发生发态，然后靶核通过发生射线又返回到基态，因此散射射线又返回到基态，因此散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。入射中子的能量必需高于某一数值才能发生，具有阈能的入射中子的能量必需高于某一数值才能发生，具有阈能的特点，这种作用形式在快中子堆中比较常见。特点，这种作用形式在快中子堆中比较常见。2）弹性散射）弹性散射 弹性散射可分为共振弹性散射和势散射，前者经过复合核弹性散射可分为共振弹性散射和势散射，前者经过复合核的形成过程而后者不经过；的形成过程而后者不经过；弹性散射过程中，靶核内能没有变更，散射前后中子弹性散射过程中，靶核内能没
42、有变更，散射前后中子靶核系统的动能和动量是守恒的；靶核系统的动能和动量是守恒的；在热中子反应堆中，中子从高能慢化到低能起主要作用的在热中子反应堆中，中子从高能慢化到低能起主要作用的是弹性散射。是弹性散射。中子的吸取中子的吸取 中子吸取反应的重要特点是中子消逝，是反应堆中影响中中子吸取反应的重要特点是中子消逝，是反应堆中影响中子平衡的重要因素。子平衡的重要因素。1）辐射俘获（）辐射俘获（n，）发生在中子的全部能区，但低能中子与中等质量核、重核发生在中子的全部能区，但低能中子与中等质量核、重核作用易于发生这种反应，此反应往往伴随较高的放射性。作用易于发生这种反应，此反应往往伴随较高的放射性。2）（
43、n，）、（）、（n，p）等反应）等反应 （n，）反应）反应 此类反应的此类反应的代表代表 （n，）反应）反应 此类反应的此类反应的代表代表 3）核裂变核裂变 反应堆内最重要的核反应，反应堆内最重要的核反应，233U、235U、239Pu和和 241Pu在在各种能量中子作用下均能发生裂变，且低能中子作用下裂各种能量中子作用下均能发生裂变，且低能中子作用下裂变可能性较大，称为变可能性较大，称为易裂变同位素易裂变同位素，而，而232Th、238U、240Pu等等只有在中子能量高于某一阈值时才能发生裂变，称作只有在中子能量高于某一阈值时才能发生裂变，称作可可裂变同位素裂变同位素。常见的核裂变反应：常见
44、的核裂变反应：每次裂变释放出约每次裂变释放出约200MeV的能量。的能量。3.反应截面反应截面 中子与原子核发生反应的截面与入射中子的能量和靶核的中子与原子核发生反应的截面与入射中子的能量和靶核的性质有关，对于大多数元素，核反应截面随中子能量性质有关，对于大多数元素，核反应截面随中子能量E变变更的特性大体上存在着三个区域：更的特性大体上存在着三个区域：1）低能区（）低能区（E1eV）在该区吸取截面随在该区吸取截面随E的减小而渐渐增大，即与中子的速度的减小而渐渐增大，即与中子的速度成反比，因此这个区域也叫成反比，因此这个区域也叫1/v区。区。2）中能区（）中能区（1eVE10KeV）此处的中子反
45、应截面通常都较小，多说状况下小于此处的中子反应截面通常都较小，多说状况下小于10bar，而且截面随能量的变更变得比较平滑了。，而且截面随能量的变更变得比较平滑了。其次章 射线与物质的相互作用第一节第一节 引言引言学习本章的意义学习本章的意义、等带电粒子和物质的相互作用等带电粒子和物质的相互作用射线和射线和x射线等不带电的粒子与物质的相互作用射线等不带电的粒子与物质的相互作用射线与物质的相互作用指的是与物质当中的原子发生作用，即与原子射线与物质的相互作用指的是与物质当中的原子发生作用，即与原子核和核外电子发生的作用核和核外电子发生的作用 射线与物质相互作用的过程，经典力学将其描述为一个碰撞过程射
46、线与物质相互作用的过程，经典力学将其描述为一个碰撞过程 弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和相等 非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等非弹性碰撞：碰撞前后系统的动能之和不相等射线与物质的相互作用主要分为四类：射线与物质的相互作用主要分为四类：1.射线与核外电子的非弹性碰撞：电离、激发射线与核外电子的非弹性碰撞：电离、激发电离：电离：入入射射的的粒粒子子将将一一部部分分能能量量通通过过库库仑仑力力传传递递给给了了靶靶原原子子核核外外的的电电子子。核核外外电电子子获获得得能能量量足足以以克克服服原原子子核核对对它它的的束束缚缚而而变变成成自自由由电电子子时时，靶
47、靶物物质质的的原原子子就就变变成成了了一一个个失失去去电电子子的的正正离离子子，即即靶靶物物质质中中的的原原子子分分别别成成了了一一个个自自由由电电子子和和一一个个正正离子。离子。假假如如放放射射出出来来的的自自由由电电子子具具有有足足够够的的动动能能，还还可可能能与与其其它它的的靶靶原原子子核核接接着着发发生生碰碰撞电离。撞电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，简洁被电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，简洁被电离。假假如如原原子子的的内内壳壳层层电电子子(像像K层层、L层层电电子子)被被电电离离，便便会会在在该该壳壳层层上上留留下下空空穴穴,外外层层的的高高能能级级电电子子就就要要
48、向向内内层层的的空空穴穴跃跃迁迁.多多余余的的能能量量就就会会以以特特征征x射射线线或或者者俄俄歇电子的形式放射出来。歇电子的形式放射出来。激发激发:假如入射粒子传递给靶原子核外电子的能量还比较小，不足以使其电离，但仍旧假如入射粒子传递给靶原子核外电子的能量还比较小，不足以使其电离，但仍旧可以使其从低能级状态向高能级状态跃迁，其结果是使靶原子处于激发状态。可以使其从低能级状态向高能级状态跃迁，其结果是使靶原子处于激发状态。处于激发状态的原子是不稳定的，确定要发生退激而回到基态。退激时释放出来处于激发状态的原子是不稳定的，确定要发生退激而回到基态。退激时释放出来的能量以光的形式放射的能量以光的形
49、式放射(这就是受激原子的发光这就是受激原子的发光)。这与原子核处于激发态，。这与原子核处于激发态，退激时发出退激时发出射线的本质不同。射线的本质不同。入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激发，是入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激发，是射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失.2.2.射线与核外电子的弹性碰撞：散射射线与核外电子的弹性碰撞：散射 当入射粒子的能量较低时，入射粒子与靶原子核外电子发生弹性碰撞，入射当入射粒子的能量较低时，入射粒子与靶原子核外电子发生弹性碰撞，入射粒子变更其运动方向
50、，核外电子的能量状态没有什么变更。通常把这种现象粒子变更其运动方向，核外电子的能量状态没有什么变更。通常把这种现象称之为散射。称之为散射。3.3.射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射 入射粒子靠近靶物质的原子核时，受到靶原子核的吸引或者排斥，入入射粒子靠近靶物质的原子核时，受到靶原子核的吸引或者排斥，入射粒子运动的速度和方向发生变更。随着入射粒子能量的减弱，有一射粒子运动的速度和方向发生变更。随着入射粒子能量的减弱，有一部分动能转化成能量连续的电磁辐射部分动能转化成能量连续的电磁辐射轫致辐射。入射粒子与原子核轫致辐射。入射粒子与原子核的这种相互作用叫做非弹性碰撞