1、放射性地球物理 核技术与自动化工程学院核技术与自动化工程学院第二章 射线与物质相互作用第一节 带电粒子与物质相互作用第二节 伽玛射线与物质相互作用第三节 伽玛射线在物质中的衰减第四节 伽玛射线通过物质时谱成分变化第五节 伽玛射线在物质中迁移第六节 中子与物质相互作用核辐射的基本性质核辐射的基本性质1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)(u)电荷电荷（e)e)符号符号种类种类
2、载能的载能的 粒子粒子:1 有没有作用有没有作用 2 具体的作用机制是什麽具体的作用机制是什麽 3 有什麽样的规律有什麽样的规律 4 产生什麽样的结果产生什麽样的结果 核辐射与物质的基本作用核辐射与物质的基本作用 。原子原子。n n 物物 质：气体质：气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用库仑作用 1 1 电离作用电离作用 2 2 电离效应电离效应作用对象：作用对象：原子（核外电子）原子（核外电子）原子核原子核作用方式作用方式与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生非弹
3、性碰撞与原子核发生弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。的电离与激发。引起能量的电离损失。1）电离）电离自由电子自由电子正离子正离子+库仑作用库仑作用称为电子与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。的电离与激发。引起能量的电离损失。2）激发）激发 入射带电粒子传递给电子的能量较少，不足以使
4、电子入射带电粒子传递给电子的能量较少，不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子，但可以使原子从摆脱原子核的束缚而成为自由电子，但可以使原子从低能级状态跃迁到相对高能级状态，此时原子处于激低能级状态跃迁到相对高能级状态，此时原子处于激发状态，此过程称为激发。发状态，此过程称为激发。激发态时间短激发态时间短返回基态，即退激并发射出光子。返回基态，即退激并发射出光子。与原子核发生弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞带电粒子靠近原子核时，带电粒子靠近原子核时，由于库仑作用使入射粒子由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分化。入射粒子损失的部分能量转移给原子核，
5、绝大能量转移给原子核，绝大部分能量由入射粒子带走。部分能量由入射粒子带走。在此过程中不发射辐射。在此过程中不发射辐射。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小，粒子质量小，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移，运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移，形成缺陷。形成缺陷。核核库仑作用库仑作用反冲反冲与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞带电粒子靠近原子核时，带电粒子靠近原子核时，由于库仑作用使入射粒子由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变的速度和运动方向发生变化。伴随着发射电磁辐射，化。伴随着发射电磁辐射，并
6、大大减弱入射光子的能并大大减弱入射光子的能量，以辐射光子的形式损量，以辐射光子的形式损失其动能，称为辐射损失。失其动能，称为辐射损失。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小，粒子质量小，运动状态改变大。运动状态改变大。核核库仑作用库仑作用反冲反冲与核外电子的弹性碰撞与核外电子的弹性碰撞带电粒子靠近原子时，由带电粒子靠近原子时，由于与核外电子的库仑作用于与核外电子的库仑作用使入射粒子的速度和运动使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原损失的部分能量转移给原子，在此过程种不发射辐子，在此过程种不发射辐射
7、射与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。这种作用只发生在极低能量的这种作用只发生在极低能量的入射粒子身上。入射粒子身上。原子原子库仑作用库仑作用反冲反冲与物质相互作用的主要形式与物质相互作用的主要形式 粒子是氦的原子核，带两粒子是氦的原子核，带两个单位正电荷，质量数为个单位正电荷，质量数为4。粒子与物质相互作用的主粒子与物质相互作用的主要形式是要形式是与与 天然核素衰变放出的天然核素衰变放出的粒子粒子能量在能量在48MeV 由于由于为重粒子，与物质散为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹射作用不明显，在气体中的径迹是直线是直
8、线的射程的射程 粒子的射程用平均射程代表；粒子的射程用平均射程代表；粒子是重粒子，射程涨落小。粒子是重粒子，射程涨落小。5MeV 粒子粒子1；同一物质中，同一物质中，粒子的射程与初始能量有关，能量大，粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；射程长；粒子在空气中射程可以用经验公式计算：粒子在空气中射程可以用经验公式计算：2/30318.0ER天然天然粒子在空气中的射程有表可查。粒子在空气中的射程有表可查。的射程的射程 粒子在其他物质中射程可以用它在空气粒子在其他物质中射程可以用它在空气中的射程，采用布喇格克利曼经验公式计算：中的射程，采用布喇格克利曼经验公式计算：04102.3RARmmmii
9、imiiimAnAnA11ni原子量为原子量为Ai的元的元素所占百分比。素所占百分比。的射程的射程 粒子在空气中的射程最大为粒子在空气中的射程最大为8.62cm（212Po,能量能量8.785MeV）。）。7、相同能量的、相同能量的粒子在不同物质中的射程不同。粒子在不同物质中的射程不同。8、粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分 之一。实际上一张纸就可以完全挡住之一。实际上一张纸就可以完全挡住粒子。粒子。1 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅地地 下下1-2 1-2 米深米深铅室铅室n
10、 n45804580本本中子源中子源射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况 与核外电子的作用与核外电子的作用粒子产生的电离粒子产生的电离由由粒子与原子壳层电子直接作用形成的电离粒子与原子壳层电子直接作用形成的电离每产生一对离子（包括原电离与次级电离）每产生一对离子（包括原电离与次级电离）粒子所损耗的平均能量。粒子所损耗的平均能量。NEW+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-与核外电子的作用与核外电子的作用单位距离上单位距离上粒子作用所产生的粒子作用所产生的粒子速粒子速度快，作用时
11、间短，度快，作用时间短，比电离小；末端前，比电离小；末端前，速度慢作用时间长，速度慢作用时间长，有极大值；此后，能有极大值；此后，能量耗尽，比电离快速量耗尽，比电离快速衰减到衰减到0。比比电电离离距离距离空气中各点的比电离变化空气中各点的比电离变化带电粒子通过物质时，在单位距离上由于电带电粒子通过物质时，在单位距离上由于电WnIvmvmNzZedXdE22202024)1(2ln4电离m0，e电子的静止质量与电荷；z，v粒子的电荷数与速度；v/c，c光速；Z介质的原子序数；N介质单位体积（1cm3）内的原子数目；I吸收介质原子的平均电离电位；W平均电离能；n电离比度；WnIvmvmNzZedX
12、dE22202024)1(2ln4电离v2v22讨论：讨论：电离）（dXdE1与核外电子的作用与核外电子的作用粒子与核作用形式：粒子与核作用形式：；。粒子与核库仑场作用而改变方向；粒子与核库仑场作用而改变方向；射线完成的著名的核反应：射线完成的著名的核反应：MeVnCBe901.51012642942 2）世界上第一个制造的人工放射性核素）世界上第一个制造的人工放射性核素约里奥约里奥.居里夫妇居里夫妇 1934 1934 年年 2727Al+Al+4 4He He 3030P +nP +n3030Si+eSi+e+提供许多种放射性核素提供许多种放射性核素,为研究和广为研究和广泛应用开辟了广阔前
13、景泛应用开辟了广阔前景例如：超铀元素的发现例如：超铀元素的发现 （人工制造）（人工制造）Z=92 93 94 95 96 Z=92 93 94 95 96 114 114+衰变衰变 弹核弹核 靶核靶核 反应产物反应产物 4He +14N 17O+1H+Q210210Po Po 7.68 MeV7.68 MeV开辟了人工方法变革原子核的基开辟了人工方法变革原子核的基本途径，人类能够将一种元素变本途径，人类能够将一种元素变成另一种元素，实现了中世纪成另一种元素，实现了中世纪“炼金术士们炼金术士们”的梦想的梦想3）.卢瑟福进行的第一个卢瑟福进行的第一个 核反应（核反应（1919）粒子与轨道电子或原子
14、核在库仑场作用下，仅改变运粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下，仅改变运动方向，动能不变的作用过程。弹性散射是低能动方向，动能不变的作用过程。弹性散射是低能粒子粒子与物质作用的主要形式。与物质作用的主要形式。粒子，有粒子，有2)(ZP核ZP)(电子ZPP)()(电子核中等元素与重元素，原子核的散射占主要。由于由于粒子受到轨道电子粒子受到轨道电子或原子核的散射，或原子核的散射，粒子的运粒子的运动方向不断改变，因此，动方向不断改变，因此，粒粒子的运动轨迹不是一条直线，子的运动轨迹不是一条直线，而是一条不规则的折线。而是一条不规则的折线。粒子在物质中的路程，粒子在物质中的路程，比穿过物质的厚度大很多
15、，一比穿过物质的厚度大很多，一般是般是1.54倍。倍。粒子产生的直接电离约占总电离的粒子产生的直接电离约占总电离的2030；次；次级电离约占级电离约占7080；222222220204)11(81)1()112ln()1(2ln2IEvmvmNZedXdE电离m0，e电子的静止质量与电荷；z，v粒子的电荷数与速度；v/c，c光速；Z介质的原子序数；N介质单位体积（1cm3）内的原子数目；I吸收介质原子的平均电离电位；E入射电子动能；射线与射线与射线射线电离效应比较电离效应比较 射线射线 射线射线径迹径迹 粗粗 直直 细细 弯弯 电离作用强电离作用强 电离作用严重电离作用严重 产生离子对数目多产
16、生离子对数目多 电离作用电离作用 Z Z1 1Z Z2 2/v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z Z1 1 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v v 入射粒子速度入射粒子速度 实验结果实验结果粒子粒子径迹是一条直线径迹是一条直线 5.3 MeV5.3 MeV粒子在空气中粒子在空气中 的射程的射程3.83 cm3.83 cm电子径迹是折线电子径迹是折线高速运动的高速运动的粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。原子核原子核讨论：讨论：342ln41371
17、202204CmECmeZNEZdXdE辐射201mdXdE辐射2ZdXdE辐射EdXdE辐射讨论：讨论：800EZdXdEdXdE电离辐射电离辐射7.33dXdEdXdE电离辐射5dXdEdXdEPbAl电子打在荧光屏上电子打在荧光屏上产生产生X射线射线电视机显像管电视机显像管特征特征:x 射线能量连续射线能量连续 0 EMax(电子能量电子能量)电视机电视机 高压高压15 kV 电子束能量电子束能量15 keV x 射线能量射线能量 0-15 keV产生机制产生机制在核反应可以忽略的（不是太高）能量范围，带电粒子在核反应可以忽略的（不是太高）能量范围，带电粒子主要的能量损失方式是碰撞电离损
18、失核轫致辐射损失。主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。辐射电离dXdEdXdES辐射电离dXdEdXdES11单位：单位：J m2 kg-1正正粒子与物质的相互作用与粒子与物质的相互作用与粒子基本相同。粒子基本相同。正电子与负电子相遇发生湮正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个灭，产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%）粒子在物质中衰减粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。半所经过的厚度。2ln21210DII时，粒子经过粒子经过10倍半吸收厚度，剩余倍
19、半吸收厚度，剩余1/1024。小。小 于于1/1000，故将，故将10倍半吸收厚度定义为倍半吸收厚度定义为粒子粒子 的射程。的射程。射程单位：射程单位：cm，g/cm2粒子射程可以用以下经验公式粒子射程可以用以下经验公式 MeVEMeVERnE5.201.0412.00)/(0954.0625.100MeVEER5.2106.0530.000 I(d)=I0 e-d MeVEMeV41.00当14.107.1Em射线是什么射线是什么 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高 大大能量低能量低E=h ,=c/电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高E=h ,=c/大大能量低能量低电离辐射电离辐射 直
20、接或间接使介质发生电离直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线效应的带电或不带电的射线或粒子或粒子 (能量能量 keV)keV)、x x、n n、p p、裂变碎片裂变碎片 介子等介子等 来来 源源 1)1)放射性物质放射性物质 (人造人造 天然）天然）2)2)加速器加速器3)3)反应堆反应堆 4)4)宇宙射线宇宙射线 5)5)地球环境地球环境 电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射 非电离辐射非电离辐射 紫外线、红外线、微波等紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生作用但都不能使物质发生电离效应生电离效应 eV eV 量级量级移动电话
21、移动电话 800-1800 MHz800-1800 MHz 0.01 eV 0.01 eV (没有电离作用）没有电离作用）射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 （10-11 米，米，keV，MeV），来自原子核），来自原子核衰变衰变,不带电，不带电，静止质量静止质量 0 。能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；电离；有动量和能量交换有动量和能量交换,能够产生载能次级能够产生载能次级 带电粒子，带电粒子，可以对物质发生电离作用。可以对物质发生电离作用。能量能量 E=h 动量动量 p=h/c2 2 射线对物质的电离射线对物质
22、的电离作用作用 两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 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 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子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壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为成为自由电子，光子本身消失了。自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）原子原子 A +X 射线射线自由电子自由电子原子
23、原子受激原子受激原子1）入射）入射光子的全部能量转移给靶原子，其中一部分能量光子的全部能量转移给靶原子，其中一部分能量消耗在使壳层电子脱离原子核的束缚所需要的电离能；消耗在使壳层电子脱离原子核的束缚所需要的电离能；另一部分转化为出射光电子的动能，还有一小部分用于另一部分转化为出射光电子的动能，还有一小部分用于靶原子核反冲。可见，入射靶原子核反冲。可见，入射光子的能量必须大于壳层光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。电子结合能，才能发生光电效应。2）光子与自由电子不能发生光电效应，这是由动量守恒光子与自由电子不能发生光电效应，这是由动量守恒的要求决定的。只有原子核参加反应，才能满足
24、动量守的要求决定的。只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。恒。3）理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发）理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射出来成为光电子，但电子在原子中束缚得越紧，就越射出来成为光电子，但电子在原子中束缚得越紧，就越容易使原子核参加相互作用过程，发生光电效应得几率容易使原子核参加相互作用过程，发生光电效应得几率就越大，所以，就越大，所以，K层电子发生光电效应几率最大、层电子发生光电效应几率最大、L层层次之、次之、M层更小层更小。实际上，。实际上，80得光电效应发生在与得光电效应发生在与K层电子得作用上。层电子得作用上。4）光电效应伴随着特征）光电效应伴随
25、着特征X射线或射线或俄歇电子的发射。发射光电子俄歇电子的发射。发射光电子后，靶原子由于内壳层出现电后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。子空位而处于激发态。入射入射射线光电子特征射线光电子特征X射线射线处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：外层电外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。电子壳层的结合能之差。)11()(21222nnZRhCEnx电子跃迁过程中释放的电
26、磁辐射是一种电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为征的，故称其为“特征特征X射线射线”。壳层电子在跃迁过程中不发射壳层电子在跃迁过程中不发射特征特征X射线，而是将激发能转射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。子中发射出来。如果在如果在L层电子向层电子向K层电子跃迁中不发射特征层电子跃迁中不发射特征X射线，射线，则，所发射的俄歇电子的能量等于：则，所发射的俄歇电子的能量等于：俄歇电子俄歇电子LKLLKBBBBBE2俄歇
27、式中：式中：E俄歇俄歇俄歇电子的能量；俄歇电子的能量；BK、BL靶原子靶原子K层与层与L层的结合能。层的结合能。如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为写出光电子的能量为对于原子序数为对于原子序数为Z的原子，其各壳层的电子的结合能可的原子，其各壳层的电子的结合能可以用以下的近似公式计算以用以下的近似公式计算ieBhE222)13(91)5(41)1(ZRBMZRBLZRBKMLK层：层：层：R=2.17910-18J =13.6eV里德伯能量里德伯能量光子能量一般为光子能量一般为MeV级，远大于壳层电子结合能（例级，
28、远大于壳层电子结合能（例I的的K层电子结合能为层电子结合能为33keV）一个入射光子与电位面积上一个靶原子一个入射光子与电位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。发生光电效应的几率。光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关a为原子与入射光子发生光电效应的几率；为原子与入射光子发生光电效应的几率；K为入射光子在为入射光子在K层发生光电效应的几率；层发生光电效应的几率；Ka45当靶物质为复杂物质时，式中当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数应为有效原子序数5.351hZCK152hZCK20CmhBK20CmhnminiiZCZ11有效式中式
29、中n在在2.24间选择间选择子数靶物质中单位体积的原N：Na1）a Z5，高原子序数材料有利于探测，高原子序数材料有利于探测光子，同样，光子，同样，选用高原子序数材料有利于防护；选用高原子序数材料有利于防护；2）低能时，低能时，a (h)-3.5，高能时，高能时a (h)-1，表明，表明，对于低能时，电子相对束缚紧些，更易发生光电效应；对于低能时，电子相对束缚紧些，更易发生光电效应；3）光电截面随入射光子能量的）光电截面随入射光子能量的变化关系如右图所示。随能量变化关系如右图所示。随能量增大，截面减小。当光子能量增大，截面减小。当光子能量小于小于100keV，截面随，截面随E出现尖出现尖锐突变
30、点，这些突变点称为吸锐突变点，这些突变点称为吸收限，等于相应壳层电子结合收限，等于相应壳层电子结合能。能。EKL1 L2L3a相对于光子的入射方向而言，不同角度光电子的产额是相对于光子的入射方向而言，不同角度光电子的产额是不一样的。可以用微分截面不一样的。可以用微分截面dn/d表示进入平均角度为表示进入平均角度为方向的单位立体角方向的单位立体角 内的光电子数目内的光电子数目n。实验和理论证明，光电子的角分布具有其明显的特点。实验和理论证明，光电子的角分布具有其明显的特点。在与光子入射方向成在与光子入射方向成0 和和180 方向不会产生光电子，而方向不会产生光电子，而在某一角度光电子出现几率最大
31、。当入射在某一角度光电子出现几率最大。当入射光子能量很低光子能量很低时，光电子在垂直于入射时，光电子在垂直于入射射线方向上发射，当射线方向上发射，当光子能光子能量增加时，逐渐朝前向角发射。量增加时，逐渐朝前向角发射。广义的光电效应包括外光电效应、内光电效应。广义的光电效应包括外光电效应、内光电效应。其中外光电效应包括单光子光电效应（即通常所说的光电其中外光电效应包括单光子光电效应（即通常所说的光电效应）和多光子光电效应。所谓多光子光电效应，就是多效应）和多光子光电效应。所谓多光子光电效应，就是多个光子的能量同时被一个电子吸收而产生的电子发射。而个光子的能量同时被一个电子吸收而产生的电子发射。而
32、内光电效应则是指不发射电子的光电效应，包括光电导效内光电效应则是指不发射电子的光电效应，包括光电导效应和光生伏特效应。可以利用内光电效应来制作光敏电阻，应和光生伏特效应。可以利用内光电效应来制作光敏电阻，静电复印机就是利用光生伏特效应的原理制作的。静电复印机就是利用光生伏特效应的原理制作的。光子与原子的外层电光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而给电子使它脱离原子射出而成为成为“反冲电子反冲电子”，同时光，同时光子损失能量并改变方向成为子损失能量并改变方向成为“散射光子散射光子”。原子核 入射光子 h 电子 反冲电子 Ee 散射光子 h 康普
33、顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。上，而光电效应主要发生在最内层电子上。康普顿效应可以认为是入射光子与处于静止状态的康普顿效应可以认为是入射光子与处于静止状态的“自由自由电子电子”之间的弹性碰撞，可以利用相对论的能量与动量之间的弹性碰撞，可以利用相对论的能量与动量守恒来计算反冲电子，散射光子及入射光子之间的
34、能量、守恒来计算反冲电子，散射光子及入射光子之间的能量、动量分配和角度等关系。动量分配和角度等关系。eEhhcosPcoschchsinPsinch)cos1(cmh1hE20)cos1(hcm)cos1()h(E202e2tgcmh1ctg20设入射光子能量，动量为。散射光子能量为，动量为。反设入射光子能量，动量为。散射光子能量为，动量为。反冲电子的动能为，总能量为冲电子的动能为，总能量为E，动量为，动量为P。散射角。散射角，反冲，反冲角角。则有下列关系式成立：。则有下列关系式成立：由以上由以上3式可以得出如下结论式可以得出如下结论 当散射角当散射角 =0o时，时，ErEr。这时散射光子能量
35、最大，等于。这时散射光子能量最大，等于入射光子能量，而反冲电子能量。这表明，此时入射光子入射光子能量，而反冲电子能量。这表明，此时入射光子从电子旁掠过，未受到散射，光子能量未发生变化。从电子旁掠过，未受到散射，光子能量未发生变化。当散射角当散射角 =180o 时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射回来，而反冲电子则沿入射光子方向飞出。此时方向散射回来，而反冲电子则沿入射光子方向飞出。此时反冲电子能量最大而散射光子能量最小。散射光子和反冲反冲电子能量最大而散射光子能量最小。散射光子和反冲电子的能量分别为：电子的能量分别为：20min,cmh21hEh2c
36、m1hE20max,e在不同的散射角在不同的散射角方向上，散射光子数为：方向上，散射光子数为：ddnrn021单位立体角的微分截面可以按下式计算单位立体角的微分截面可以按下式计算2)cos1(112cos100rdd202220cos11cos1cos1）（式中，式中，r0电子的经典半径，电子的经典半径，r0=e2/m0C2=2.81810-13cm 0以静止电子为单位的光子能量以静止电子为单位的光子能量0=h/m0C2电子/108226cmdd=900时，光子散射几率最小时，光子散射几率最小电子/104226cmdd因为因为00，散射光子不损失能量，只改变方向。这种不，散射光子不损失能量，只
37、改变方向。这种不损失能量的散射，称为损失能量的散射，称为“汤姆逊散射汤姆逊散射”，其微分截面为，其微分截面为220cos12rdd00，光子向前与向后的散射几率相等，光子向前与向后的散射几率相等由上式对角度（由上式对角度（01800）积分获得（克莱因仁科公式）积分获得（克莱因仁科公式）随着入射光子能量增加，反散射几率减小。对某一较大能随着入射光子能量增加，反散射几率减小。对某一较大能量的入射光子，随散射角增大，散射几率逐渐减小。这是量的入射光子，随散射角增大，散射几率逐渐减小。这是散射光子角分布的一般规律。散射光子角分布的一般规律。2)cos1(112cos100rdd202220cos11c
38、os1cos1）（2000000002000213121ln2121ln12112143e为电子经典半径。式中，020038；rr 20000000020020213121ln2121ln1211212re0 202020002021ln21ln1CmhhCmrre1)(heAZLeAZLe常数Le21常数Le21GLe21散射截面正比散射截面正比于介质密度于介质密度能量能量1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用产生一对正与原子核作用产生一对正-负负电子的过程。电子的过程。能量转化成能量转化成质量质量M=E/C2正电子在自然界是不稳定的，寿命正电子在自然界是不稳定的，寿命1010-10-1
39、01010-7-7s s，当其与，当其与负电子相遇时，会发生湮灭，产生两个负电子相遇时，会发生湮灭，产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。利用正物质与负物质发生湮灭放出巨大能量的光子。利用正物质与负物质发生湮灭放出巨大能量的物理原理，人们正在研制反物质武器。物理原理，人们正在研制反物质武器。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%）M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.
40、511MeV基本条件：基本条件：射线能量射线能量 E E 1.02 MeV 1.02 MeV 为什麽？为什麽？必须在核库仑场的作用下，即在入射的较高能量的伽玛光必须在核库仑场的作用下，即在入射的较高能量的伽玛光子很靠近原子核周围时，才有可能发生电子对效应。子很靠近原子核周围时，才有可能发生电子对效应。)02.1(21hZcp当当h 稍大于稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。子对截面将迅速增加。)ln(22hZcp当当h 远大于远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。子对截面的增加速
41、度变缓慢。结论：当天然射线与岩石作用，电子对效应可以忽略。结论：当天然射线与岩石作用，电子对效应可以忽略。射线与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争的。射线与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争的。当入射光子能量高于1.02Mev时，这三种效应在相互作用时都可能发生。当入射光子能量低于1.02Mev时，只有光电效应与康普顿效应能发生。若用 分别表示入射光子与物质原子发生光电效应、康普顿效应的截面，则入射光子与物质原子发生作用的总截面为：当 时 。三种效应的截面均与物质的原子序数有关，存在下述关系：ph和e均随入射光子能量增大而降低，而p在能量大于等于1.02MeV以后，随Er的增大而增大。
42、5phZZe2pZ peph、pephrMev02.1Er0p 0.01 0.1 10 1 100 0 25 50 75 100 光电效应占优 康普顿效应占优 电子对效应占优 入射光子能量)MeV(E 原子序数 Z 三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系 作用几率大于总几率50区域元素元素主要作用区（主要作用区（MeV）起始作用区（起始作用区（MeV）光电光电康吴康吴 电子对电子对光电光电康吴康吴 电子对电子对铝铝153.0铜铜102.0铅铅52.0对中等能量的对中等能量的康吴效应为主；康吴效应为主；对低能对低能 射线通过介质时由于同物质的三种相互作用射线通过介质时由于同物质的三
43、种相互作用,光子的光子的数量数量不断的减少不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种物质层越厚减少得越多，这种现象称做对现象称做对射线的吸收射线的吸收。厚厚 度度 X X I0 I 所谓单色窄束所谓单色窄束射线，是指单能，并经过准直处射线，是指单能，并经过准直处理，只有沿入射方向才有射线射出的测量条件。理，只有沿入射方向才有射线射出的测量条件。经过厚为经过厚为X的物质后，在的物质后，在X+dX处被吸收的射线数应该处被吸收的射线数应该dXIdIdXIdIXeII0结果表明：结果表明：射线数目随通过介质层厚度增加而射线数目随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律减小，服从指数衰减规律。指数衰减因
44、子指数衰减因子 线性吸收系数线性吸收系数dXIdI当射线穿过单位距离介质当射线穿过单位距离介质时，单个光子被损失掉的时，单个光子被损失掉的几率。几率。4 4）线性吸收系数）线性吸收系数与入射射线、作与入射射线、作用介质有关：用介质有关：a a）射线能量高射线能量高 值小值小 b b）原子序数高原子序数高 值大值大能量（能量（MeV)铅（铅（Pb)cm-1 铝（铝（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1铅和铝吸收系数铅和铝吸收系数5 5）对于某一确定能量，每一种介质）对于某
45、一确定能量，每一种介质有一确定的线性吸收系有一确定的线性吸收系值，该值是、值，该值是、作用介质的吸收特性参数。作用介质的吸收特性参数。/质量衰减质量衰减系数系数/mmXXeIeII00/质量衰减质量衰减系数系数nimiimc1水 水泥 Al Pb137Cs 8.08 3.81 3.44 0.556 60Co 11 5.17 4.67 0.989射线强度减弱射线强度减弱1/21/2 所通过物质层的厚度所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。构成很厚的防护墙。半吸收厚度半吸收厚度 单位：单位：cm物质层厚度物质层厚度 0 I/I
46、 半吸收厚度半吸收厚度(d(d1/21/2)电电离离过过程程 直直接接 直直接接 间间接接径径 迹迹 直直线线 折折线线 直直线线比比电电离离 很很大大 稀稀疏疏 稀稀稀稀拉拉拉拉穿穿透透能能力力 很很弱弱 中中 很很强强 对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较 2 MeV 射程射程(m)(m)离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个1 MeV 1 MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅地地 下下1-2 1-2 米深米深铅室铅室n n45804580本本中子源中子
47、源射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况 测量条件不同处：散射射线可以被部分记录。测量条件不同处：散射射线可以被部分记录。厚厚 度度 X X I0 I 厚厚 度度 X X I0 I 窄束窄束装置装置宽束宽束装置装置探测器宽束条件下，介质的吸收系数小余窄束条件：宽束条件下，介质的吸收系数小余窄束条件：pephlnI厚度厚度窄束窄束宽束宽束特点：基本规律与宽束条件基本相同。但如果探测器放特点：基本规律与宽束条件基本相同。但如果探测器放在介质中，尚可以测量到从探测器后方散射来的射线，在介质中，尚可以测量到从探测器后方散射来的射线，射线计数率衰减缓慢。射线计数率衰
48、减缓慢。采用有效衰减系数来作理论估算。采用有效衰减系数来作理论估算。dII)/ln(0dII)/ln(0当射线进入介质一定当射线进入介质一定深度后，衰减服从指深度后，衰减服从指数衰减率。如图中红数衰减率。如图中红色虚线所示。此时，色虚线所示。此时，可以用实际观测的质可以用实际观测的质量衰减系数来计算伽量衰减系数来计算伽玛射线的衰减。玛射线的衰减。Ln(I/I0)d(g/cm2)1mmXeII0Q中子不带电不能直接使原子电离中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应同原子核发生作用引起核反应1 1）与）与 H H 原子核的弹性碰撞原子核的
49、弹性碰撞 传递能量传递能量 质子跑出来质子跑出来 中子被慢化中子被慢化 n+H n +p n+H n +p 第一步第一步 打出质子（载能）打出质子（载能）第二步第二步 质子引起物质电离质子引起物质电离 慢化剂慢化剂:轻水轻水(1 1H H2 2O)O)重水重水(2 2D D2 2O)O)五五 中子与物质的作用中子与物质的作用nHnnp电离电离 2 2）中子核反应中子核反应 例如例如(n,p)(n,p)反应反应 n +n +1414N N 1414C +p C +p 第一步第一步 核反应产生质子核反应产生质子 第二步第二步 质子对物质产生质子对物质产生 电离作用电离作用 n p电离电离1414N
50、 N1414C C 人体有大量人体有大量 H H 和和 N N 原子原子 中子对人体电离效应严重中子对人体电离效应严重 伤害也严重伤害也严重12本讲复习与思考题1、伽玛射线与物质的主要相互作用有哪些？总、伽玛射线与物质的主要相互作用有哪些？总结每种相互作用过程。结每种相互作用过程。2、为什么光电效应一般发生在原子的内层电子？、为什么光电效应一般发生在原子的内层电子？伴随光电效应有哪两种后续过程？伴随光电效应有哪两种后续过程？3、康普顿效应有什么特点？、康普顿效应有什么特点？4、电子对效应发生的条件。、电子对效应发生的条件。5、伽玛射线通过物质时遵循什么衰减规律？、伽玛射线通过物质时遵循什么衰减
