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1、第一章、电离辐射与物质相互作用第一章、电离辐射与物质相互作用哈尔滨工程大学核学院第一节 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电离辐射。1.辐射的分类辐射的分类（1）带电粒子的辐射带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、粒子等。亦可称为直接致电离辐射直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过许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间接致电离辐射，
2、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直接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，产生次次级电子级电子；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
3、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化量化量II正比于入射中子束的强正比于入射中子束的强度度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
4、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 beam 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
5、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：宏观截面的物理解释宏观截面的物理解释表征了一个中子和单位体积内所有的原子表征了一个中子和单位体积内所有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几kev到20Mev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
6、与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。（1 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发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电电离能量损失离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。（2 2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞）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，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化。当带电粒子加速或减速时必
7、然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量损失辐射能量损失。（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，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，这种能量损失称为核碰撞能量损失核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止核阻止。此过程是引起电子散射严重的主要因素。（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 带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞
8、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（100ev）的电子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。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可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止线性阻止本领本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分路径dx，即：也可以称为粒子的能量损失率能量损失率，或比能损失。根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Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成，故有：对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的
9、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失将具有一定能量的质子、氘核、粒子和介子等重带电粒子称为快重带电粒子快重带电粒子，将所有z2并失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子重离子。在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损失Sion相当。对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时，二者几乎相当。由于
10、电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份额很小，但这会引起严重的散射。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兴趣的能量范围内（大约0.1Mev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化；（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情况下，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：（1）电
11、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成正比成正比。如和质子的速度相等，物质对粒子的阻止本领是对质子的4倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，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，而与质量无关有关，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。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。（3）电离能量损失率与物质的电子密度电离能量损失率与物质的电子密度NZ成正比成正比。N表示单位体积内靶物质的原子数，Z是其原子序数，则单位体积内的电子数是NZ。物质密度越大，物质中
12、原子的原子序数越高，则此种物质对粒子的阻止本领越强。（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许多电子离子对，把单位距离上产生的平均离子对数称作比电离比电离。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射程。入射粒子在物质中行经的实际轨迹长度称作路程路程。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改变，其轨迹几乎是直线，射程基本等于路程。3.射程射程能量为
13、E0的带电粒子的射程R可以表示为：一般用实验测定。可以看出粒子的计数率n从开始下降到降为零这段距离内被全部吸收，把计数率下降为一半的透射距离定义为粒子的平均射程平均射程R R0 0.对曲线a求导得到曲线b，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R0。微分曲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，这种涨落称为射程岐离射程岐离。粒子在空气中的射程数据总结出了半经验公式：4.能量岐离能量岐离上面说到了射程岐离，产生此现象的根本原因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能量，都是一个随机量，同样此原因导致了能量岐离现
14、象的出现。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，平均能量越小，而能量分布越宽，岐离越严重。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，散射严重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐射）；（4）正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略。并
15、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，并显著改变自己的运动方向。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，在相同的能量情况下，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。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
16、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，运动方向的改变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化很小，但方向变化很
17、大，这就是弹性散射弹性散射。电子穿过物质时要先后受到许多次原子核的弹性散射作用，称为多次散射多次散射。经过多次散射后，散射角可以大于90，甚至可能是180，通常把大于90的散射称为反散射反散射。fb随反散射体厚度增加而增大，但厚度增加到一定程度后，fb达到饱和。5.电子的吸收电子的吸收实验表明，对于不同的吸收介质，m随原子序数的增加而缓慢的上升，对于同一种介质，吸收系数m与粒子最大能量密切相关。对铝有如下经验公式：6.射线的射程射线的射程射线在低Z材料中的射程有如下经验公式，当0.01E 2.5Mev时：当E2.5Mev时：R0 其中，射程R0用质量厚度表示，单位是gcm-2，E为粒子的最大能
18、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，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。在吸收体中的径迹类似于负电子，其能量损失率及射程也与初始能量相等的负电子相同。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失，同时放出两个光子。两个湮灭光子能量均是0.511Mev，发生的方向相差180，即总动量是零。四、其它形式的辐射四、其它形式的辐射上述讨论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
19、了上述过程外，还会引起切伦科夫辐射和穿越辐射。切伦科夫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，特别是低能的粒子，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。第二节、光子与物质的相互作用第二节、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.光电效应光电效应 光子与原子的一个束缚电子相互作用，并将自身所
20、有能光子与原子的一个束缚电子相互作用，并将自身所有能量转移给此束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失。量转移给此束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失。T光电子的动能；光电子的动能；h入射入射光子的能量；光子的能量；EB电子的束缚能。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：激发状态，这种激发状态不稳定，退激的过程有两种：1）特征特征X射线（产额与射线（产额与Z有关）有关）2）俄歇电子俄歇电子 图图1.1.光电效应、特征光电效应、特征X X射线和俄歇电子的发射示意图射
21、线和俄歇电子的发射示意图 对于对于K壳层电子，发生壳层电子，发生光电效应的截面光电效应的截面为：为：其中，其中，C1、C2为常数。可见，为常数。可见，（1）原子序数）原子序数Z越高越容易发生光电效应；越高越容易发生光电效应；（2）光子能量越高越不易发生光电效应。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）和反方向方向）和反方向上（定为上（定为180o方向）均未观察到光电子。方向）均未观察到光电子。1）E很低时，光电子很低时，光电子 趋于趋于90o方向发射方向发射 2）E增加时，光电子增加时，
22、光电子 逐渐向前方向发射逐渐向前方向发射 图图2.2.不同不同E时的光电子角分布时的光电子角分布 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，能够忽略原子壳层电子的束缚射线，能够忽略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3.3.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
23、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 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
24、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升高而降低，但虽然电子康普顿反应截面随入射光子能量升高而降低，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升高而不断增加的，因此可用康普顿散射升高而不断增加的，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“康普顿吸收截面康普顿吸收截面”。康普顿电子的角分布康普顿电子的角分布 当当=0o变变化到化到180o时时，=90o变变化到化到0o；康普顿电子的角康普顿电子的角分布的前
25、向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。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，而光子本身消失，此种过程称为个正电子和一个负电子，而光子本身消失，此种过程称为电子对效应。电子对效应。图图5.5.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）：所以要生成电子对，光子能量必须大于所以要生成电子对，光子能量必须大于2m0c2=1.022MeV,剩余的能量（
26、剩余的能量（h-2m0c2）作）作为动为动能在正能在正负电负电子子间间分配。分配。正正电电子的湮没子的湮没 正正电电子子经经减速后就同减速后就同负电负电子复合，并放出两个能量子复合，并放出两个能量为为0.511MeV的湮没光子。的湮没光子。在对能量较大在对能量较大（1.5MeV）的的光子进行辐射测量时，湮没光子进行辐射测量时，湮没光子的产生会对测量结果造成一定影响：光子的产生会对测量结果造成一定影响：湮没辐射峰湮没辐射峰 单、双逃逸峰单、双逃逸峰 图图6.6.使用使用NaI探测器测量探测器测量2424Na Na 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
27、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 能量的变化就缓慢一些；能量的变化就缓慢一些；2）无论高能低能，都有）无论高能低能，都有 关系。关系。图图7.7.电子对效应截面与电子对效应截面与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增加而急剧减少，增加而急剧减少，E200keV时，这种散射不能忽时，这种散射不能忽略；在略；在0o时，瑞利散射最强，一般在时，瑞
28、利散射最强，一般在30o范围内，相干散射范围内，相干散射效应就大于非相干散射占主要地位。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，是上述多种相互作用的结果，因此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：总的减弱系数为：由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本不变，可以看做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，因此在宽束辐射中通常可忽略光子未发生过任何作用，因此在宽束辐射中通常可忽略R或或R值，而只考虑光电效应、康普顿散射和电子对效应对值，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。光子衰减的贡献
29、。比较比较k、c 和和p可知：可知：1）三种效）三种效应发应发生的几率都随生的几率都随Z值值增大而增大，因此高原子序数的增大而增大，因此高原子序数的物物质对质对光子具有更好的阻光子具有更好的阻挡挡作用，作用，这这也是也是NaI探探测测器探器探测测效率比效率比HPGe高的原因高的原因 2）三者随）三者随E的的变变化不尽相同，化不尽相同，k、c都随都随E增加而降低，但增加而降低，但k降降低的速度要比低的速度要比c快的多，快的多，p随随E的增加而增的增加而增长长 图图8.8.光子三种效应的优势区域光子三种效应的优势区域 图图9.9.铅的铅的 射线截面射线截面 射线衰减规律射线衰减规律 由由的定义可知
30、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：中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射势散射、直接相互直接相互作用作用和和复合核的形成复合核的形成。（1）势散射势散射 最简单的核反应，中子波和核表面势相互作用，中子并未最简单的核反应，中子波和核表面势相互作用，中子并未进入靶核，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
31、的动能。势散射时入射中子改变运动方向和能量，势散射前后靶核势散射时入射中子改变运动方向和能量，势散射前后靶核的内能没有变化，中子与靶核系统的动能和动量守恒，所的内能没有变化，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）直接相互作用直接相互作用 入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使该核子从核里发射出来，而中子却留在核内。发射出来，而中子却留在核内。中子要发生直接相互作用，必须要具有较高的能量，一般中子要发生直接相互作用，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
32、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 吸收形成一个新核吸收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，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
33、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，这种现象就叫显著地增大，这种现象就叫共振现象共振现象。由实验室坐标系的动能由实验室坐标系的动能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之差之差时，中子反应截面会出现一个峰值，此时，中子反应截面会出现一个峰值，此EC值对应的值对应的EL即为即为发生共振时中子的动能。发生
34、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：散射散射：有弹性散射和非弹性散射：有弹性散射和非弹性散射 吸收吸收：包括辐射俘获、核裂变、（：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
35、不守恒。前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。入射中子的能量必须高于某一数值才能发生，具有入射中子的能量必须高于某一数值才能发生，具有阈能阈能的的特点，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 弹性散射可分为弹性散射可分为共振弹性散射共振弹性散射和和势散射势散射，前者经过复合核，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，靶核内能没有变化，散射前后中子弹性散射过程中，靶核内能没有变化，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
36、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。中子的吸收中子的吸收 中子吸收反应的重要特点是中子消失，是反应堆中影响中中子吸收反应的重要特点是中子消失，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，）发生在中子的所有能区，但低能中子与中等质量核、重核发生在中子的所有能区，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）（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
37、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
38、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变变化的特性大体上存在着三个区域：化的特性大体上存在着三个区域：1）低能区低能区（E1eV）在该区吸收截面随在该区吸收截面随E的减小而逐渐增大，即与中子的速度的减小而逐渐增大，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）此处的中子反应截面通常都较小，多说情况下小于此处的中子反应截面通常都较小，多说情况下小于10bar，而且截面随能量的变化变得比较平滑了。，而且截面随能
39、量的变化变得比较平滑了。第二章 射线与物质的相互作用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
40、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：入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核外电子入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核外电子获得能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物质的原子就变获得能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物质的原子就变成了一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分离成了一个自由电子和一成了一个失去电子的
41、正离子，即靶物质中的原子分离成了一个自由电子和一个正离子。个正离子。如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核继续发如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核继续发生碰撞电离。生碰撞电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。如果原子的内壳层电子如果原子的内壳层电子(像像K层、层、L层电子层电子)被电离，便会在该壳层上留下空穴被电离，便会在该壳层上留下空穴,外层的高能级电子就要向内层的空穴跃迁外层的高能级电子就要向内层的空穴跃迁.多余的能量就会以特征多余的能量就会以特征x射线或者射线或者俄歇电子的形式
42、发射出来。俄歇电子的形式发射出来。激发激发:如果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，但如果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，但仍然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仍然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。状态。处于激发状态的原子是不稳定的，一定要发生退激而回到基态。退激时释放处于激发状态的原子是不稳定的，一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发射出来的能量以光的形式发射(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。这与原子核处于激发态，退激时发出态
43、，退激时发出射线的本质不同。射线的本质不同。入入射射粒粒子子与与核核外外电电子子发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞，导导致致靶靶物物质质中中的的原原子子电电离离和和激激发发，是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：射线与核外电子的弹性碰撞：散射散射 当当入入射射粒粒子子的的能能量量较较低低时时，入入射射粒粒子子与与靶靶原原子子核核外外电电子子发发生生弹弹性性碰碰撞撞，入入射射粒粒子子改改变变其其运运动动方方向向，核核外外电电子子的的能能量量状状态态没没有有什什么么变变化化。通通常常把把这这种种现现象象称之
44、为散射。称之为散射。3.3.射线与原子核的非弹性碰撞：射线与原子核的非弹性碰撞：轫致辐射轫致辐射 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改变。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改变。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。的这种相互作用叫做非弹性碰撞。4.4.射线与原子核的弹性碰撞：吸收射线与原子核的弹性碰撞：吸收 入射粒子靠近靶物质的
45、原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子靠近靶物质的原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使核激发，而是传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒核激发，而是传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒子可在靶物质中继续进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质子可在靶物质中继续进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中。中。第二节第二节 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子：比电子质量大的多的荷电粒子重带电粒子：比电子质量大的多的荷电粒子
46、(粒子、质子、氘核粒子、质子、氘核 ).).主要与物质中靶原子核中的核外电子发生非弹性碰撞主要与物质中靶原子核中的核外电子发生非弹性碰撞(使得原子发生电离或者使得原子发生电离或者激发激发)。与原子核发生弹性碰撞的几率很小。与原子核发生弹性碰撞的几率很小;快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子快速带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞损失的能量要比与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很发生非弹性碰撞所损失的能量小三个量级。只是在入射的带电粒子的能量很低时，才需要考虑由它与靶原子核的弹性碰撞引起的能量损失。低时，才需要考虑由它与靶原
47、子核的弹性碰撞引起的能量损失。碰撞后入射粒子的运动方向几乎保持不变。重的带电粒子在物质中的运动径碰撞后入射粒子的运动方向几乎保持不变。重的带电粒子在物质中的运动径迹近似直线。迹近似直线。重带电粒子的能量损失：重带电粒子的能量损失：入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快入射粒子的一部分能量转移给核外电子，导致靶物质原子电离或者激发。快速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。把核速入射粒子转移给核外电子的能量要比核外壳层电子的结合能大的多。把核外电子看成是靶物质中的一个外电子看成是靶物质中的一个“自由电子自由电子”。入射带电粒子与靶物质核外电。入射
48、带电粒子与靶物质核外电子之间的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶子之间的作用可以看成是弹性碰撞。和快速入射粒子的运动相比，可以把靶原子中作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于原子中作轨道运动的电子，在碰撞前看成是处于“静止静止”状态。状态。1).能量损失率与入射粒子质量无关，能量损失率与入射粒子质量无关，而只与它的速度有关。而只与它的速度有关。2).能量损失率与入射粒子的电荷数平能量损失率与入射粒子的电荷数平方成正比。方成正比。3).能量损失率与靶物质的能量损失率与靶物质的NZ成正比。成正比。密度越大，原子序数越高的物质，对密度越大，原子序数越高的物质，对入射粒子的阻止本
49、领越大。入射粒子的阻止本领越大。在中能区（在中能区（0.2MeV20MeV），入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的增），入射粒子能量的电离损失随入射粒子能量的增加而减小；在低于加而减小；在低于500I的能量处，曲线有一最大值；在高能区（的能量处，曲线有一最大值；在高能区（20MeV,入射入射粒子的速度接近于光速粒子的速度接近于光速c），电离能量损失率随入射粒子能量的增加而缓慢上），电离能量损失率随入射粒子能量的增加而缓慢上升，在小于升，在小于3mc2附近的能量处有一宽的极小值。附近的能量处有一宽的极小值。l 带电粒子在物质中运动时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质带电粒子在物质中运动
50、时，不断损失能量。待能量耗尽时，便停留在物质 中。中。l 入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点（速度等于入射粒子沿原来运动方向，从入射点到它终止点（速度等于0）之间的直线）之间的直线距离，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影，距离，即入射粒子沿入射方向穿透物质的深度，是路程在入射方向上的投影，称之为入射粒子在该物质中的射程，以称之为入射粒子在该物质中的射程，以R表示。表示。l路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。路程大于或者等于路程是指入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。路程大于或者等于射程。射程。l1).入射粒子在吸收物质中的射程入射粒子在吸收