射线检测技术4-3带电粒子、中子与物质的相互作用
射线与物质作用
射线与物质相互作用
对重带电粒子阻止本领
dE dX
dE dX ion
dE dX n
射线与物质相互作用
• 重带电粒子在物质中的射程 • 带电粒子在进入物质后，通过与物质相互作用而 不断地损失能量，速度越来越小，最终停留在物 质中，沿入射方向穿过的最大距离成为粒子在物 质中的射程。
c
射线与物质相互作用
Computon散射
运动学关系： hv hv Ee
'
hv’ hv
Ee
hv 1 (1 co s ) 2 mc h v(1 co s ) Ee m c2 (1 co s ) hv hv ct g (1 )t g 2 mc 2
探测器 样品
思考：请计算对比γ射线穿过混凝土等如下介质强度衰减 至5%的厚度 质量衰减系数（μ/ρ）及密度（ ρ）如下： Pb 0.0416 空气 0.0357 混凝土 0.0363 水 0.0396 (3MeV cm2/g)
0.0689
11.3
1MeV
0.0635
0.001293
0.0635
2.35
Z 2 ln hv
射线与物质相互作用
三种效应与原子序数和光子能量的关系
ph Z / hv
5
c Z / hv p Z 2 hv
射线与物质相互作用
射线的吸收
I I 0e
Nt
I 0 e t
ph c p ph c p
射线与物质相互作用
次级粒子
质子、α粒子、正负电子
俄歇电子 X射线
中子、γ、Χ
射线与物质的相互作用ppt课件
电离损失
❖电离
❖激发
二、带电粒子与物质的相互作用
2.2 与原子核的非弹性碰撞
➢ 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使带电粒 子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—— 轫致辐射。
➢ 当入射带电粒子与原 子核发生非弹性碰撞 时，以辐射光子损失 其能量，我们称它为
辐射损失。
二、带电粒子与物质的相互作用
原子核
反冲电子
h 1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
入射光子 -0.5 -1.00ຫໍສະໝຸດ 204060
X Axis Title
B
80
100
散射光子 h
三、γ射线与物质的相互作用
3.3 电子对效应(Electron Pair Effect)
➢ 能量较高(>1.022MeV) 的射线(光子) 从原子核旁经过 时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电 子和一个电子的过程。
❖中 子：不带电
❖无声无味、无色无嗅 ❖组织温度无明显升高
射线与物质的相互作用
辐射探测、防护的基础
射线与物质相互作用的分类
带电粒子辐射
轻带电粒子 （ β射线）
重带电粒子 （ α粒子）
非带电粒子辐射
次级电子 核外电子
电磁辐射 （ γ射线）
次级重带电粒子 原子核
中子
带电粒子与物质的相互作用
二、带电粒子与物质的相互作用
γ
中子
与束缚电子发生非弹性碰撞
1、与核外电子发生非弹性碰撞 2、与原子核发生非弹性碰撞 1、光电效应 2、康普顿效应 3、电子对效应 1、弹性散射 2、非弹性散射 3、俘获过程
五、总 结
❖射线穿透能力
射线检测分类
射线检测分类
射线检测分类
射线检测是一种非破坏性检测技术，主要用于检测材料内部的缺陷。
在射线检测中，射线穿过被检材料，然后被探测器接收，根据信号的差异判断材料中是否存在缺陷。
射线检测可以分为以下几类：
1. X射线检测：X射线是一种高能电磁波，具有很强的穿透能力，可以穿过大部分金属和非金属材料。
X射线检测常用于检测铸造件、焊接件、航空航天部件、汽车零部件等材料。
此类检测需要专业的设备和操作技能。
X射线检测具有高灵敏度和可靠性，可以检测到微小的缺陷。
2. γ射线检测：γ射线也是一种高能电磁波，和X射线一样具有很强的穿透力，但γ射线的波长比X射线更短，能量更高。
γ射线检测常用于检测较厚的工件，例如锅炉、反应堆、管道等。
在进行γ射线检测时，需要在被检测物品周围进行防护，以防止辐射危害。
3. β射线检测：β射线是一种带电粒子，比γ射线和X射线穿透力更弱。
β射线检测通常用于表面层薄的材料检测，例如涂层、钢板、底盘等。
4. 中子射线检测：中子射线穿透性比较弱，但是中子射线能够和原子核相互作用，因此具有独特的检测能力。
中子射线检测主要用于检测含水材料、塑料、橡胶等材料。
以上是射线检测的四种常见分类，每种分类都有适用的领域和检测方法。
随着技术的不断发展，射线检测技术将在更多领域得到应用，为安全生产和产品质量保障提供更好的服务。
2020国家核技术利用辐射安全与防护考核测试试题(九)(附答案)
班级__________姓名__________学号__________座位号__________ __________ …………○…………密…………○…………封…………○…………线…………○…………绝密★启用前2020国家核技术利用辐射安全与防护考核测试试题(九)（附答案）国家核技术利用辐射安全与防护考核题目一、选择单个正确答案（共30题，每题2分，共60分）1、我国职业照射有效剂量限值规定5年不能超过（）.A:50mSv B:100mSv C:20mSv D:1mSv2、.辐射导致患癌属于（）效应.A:急性 B:遗传C：随机性 D:确定性3、.中子与物质发生相互作用可能会发生（）.A:光电效应 B:裂变效应 C:康普顿效应 D:电子对效应4、《X射线计算机断层摄影放射要求》（GBZ165-2012）规定CT机房的墙壁应有足够的防护厚度，距离机房外表面0.3m处的空气比释动能率应不大于（）μSv/h.A:0.5 B:2.5 C:3 D:1.55、下列哪个效应是存在阀值的效应（）.A:随机性效应 B：确定性效应C：光电效应 D：康普顿效应6、器官或组织接受单位当量剂量照射引起随机性损伤效应的几率是（）.A:危险度 B:死亡率 C：严重遗传疾患的发生率 D:相对危险度7、当Y光子通过物质的原子核附近时，与原子核的核外电子相互作用，光子将其全部能量传递给一个轨道电子，使其发射出去成为自由电子，同时光子消失，这个过程称为A：光电效应 B:电子对相应C：康普顿效应 D:湮灭8、有效剂量E为人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因数后的和，有效剂量的（）.A:单位为J，专有名为希[沃特](Sv) B:单位为J，专有名为戈[瑞](Gy)C：单位为Jkg-1，专有名为戈[瑞](Gy) D:单位为Jkg-1，专有名为希[沃特](Sv)9、典型成年受检者AP腰椎X射线摄影的剂量指导水平为A:10mGy B:20mGy C:30mGy D:40mGy10、.工作场所X、y外照射的监测，最好选用下述检测仪.A:便携式周围剂量当量率仪 B:空气比释动能率仪C：空气吸收剂量率仪 D:表面污染监测仪11、《中华人民共和国放射性污染防治法》第三十条规定，“( )放射工作场所的放射防护设施，应当与主体工程同时设计、同时施工、同时投入使用.”A:新建、改建、扩建B:改建、扩建C:施工新建D:规划建设12、下面哪种粒子的穿透力最弱A:y光子 B:粒子 C:a粒子 D:中子13、.外照射的防护基本方法有（）.A:空间防护、距离防护和时间防护 B:时间防护、距离防护和屏蔽防护C：距离防护、空间防护和组织防护 D:距离防护、屏蔽防护和组织防护14、凡能引起物质电离的各种辐射称为电离辐射，下列选项中属于直接电离辐射的粒子为（）. A:a、β带电粒子 B:y光子、中子C:a带电粒子、中子 D：y光子，α、β带电粒子，中子15、只适用于间接致电离辐射的是（）.A:照射量 B:吸收剂量 C:比释动能 D:当量剂量16、审管部门或健康监护机构认定某一工作人员由于健康原因不再适于从事涉及职业照射的工作时，用人单位应：A:让其继续从事原放射性工作 B：为该工作人员调换合适的工作岗位C：开除该工作人员17、国家标准对应急响应人员的剂量控制水平的要求中，一般应急行动不大于A:20mSv B:50mSv C:100mSv D:500mSv18、比释动能是为了描述（）过程的辐射量.A：带电粒子与物质相互作用，将能量转移给次级带电粒子B:不带电粒子与物质相互作用，将能量转移给次级带电粒子C：次级带电粒子将从带电粒子获得的能量授予物质D：次级带电粒子将从不带电粒子获得的能量授予物质19、以下关于随机性效应的叙述，错误的是（）A:发生机率与剂量无关B:严重程度与剂量无关C:不存在剂量闭值D:接受正常照射的工作人员也有可能发生随机性效应20、吸收剂量专用名称为（）A:Kev B:Gy C:Bq D:Sv21、辐射权重因子是（）而引入的.A：为了考虑不同器官或组织对发生辐射随机性效应的不同敏感性B:为了比较放射性的能量C：为了比较放射性的强弱D：为了用同一尺度表示不同类型和能量的辐射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小22、《放射工作人员职业健康管理办法》规定：放射工作单位应当定期组织本单位放射工作人员接受放射防护和有关法律知识培训，放射工作人员两次培训的时间间隔不应该大于（）年，每次培训时间不少于（）天.A:1，2 B:2，4 C:2，3 D:2，223、下列射线中，从外照射防护角度考虑，最容易防护的是（）.A:X射线 B：中子射线 C：y射线 D:a射线24、.人体所有组织和器官加权后的当量剂量之和是（）.A:有效剂量 B:剂量当量 C：吸收剂量 D:集体当量剂量25、当量剂量是用吸收剂量乘以（）.A：反映物质性质的参数-密度B：反映组织对射线敏感性的因子-组织权重因子C：反映射线照射于组织引起随机效应的几率-危险度D：反映射线种类和能量的因子-辐射权重因子26、在单位时间内（），称为放射性活度，也称衰变率，表征放射源的强弱.A：发生衰变的次数 B:发生衰变的原子核数目C:发生衰变的原子核放出的粒子数 D:原子核衰变放出的能量总和27、发生放射事故时，集体（）可用来估算人群随机性效应的发生率.A:当量剂量 B:有效剂量 C:照射量 D:剂量当量工作场所中的某些设备与用品，经去污使其表面污染水平降低到GB18871-2002中所要求的工作场所放射性表面污染控制水平的----以下时，经审管部门或审管部门授权的部门确认同意后，可当作普通物品使用.A:三十分之一 B:四十分之一 C:五十分之一 D：六十分支一28、固定式辐射剂量（率）监测仪：用于（）.A:固定伽马射线探伤室、源库、作业现场的辐射剂量（率）定点监测或巡测B：固定伽马射线探伤室的辐射剂量(率)监测C：剂量（率）超闽报警D:累计剂量常规监测29、1居里（Ci）=（）贝可(Bq) A:3.7×10E+9 B:3.7×10E+10 C:3.7×10E+11 D:3.7×10E+1230、一个放射源的放射性活度随时间增加而（）.A:指数地衰减 B:指数地增加 C：正比地衰减 D:正比地增加二、从答案中选择多个正确答案（共10题，每题4分，共40分）1、根据GBZ128-2016，职业照射的职业分类包括（）.A:医学应用B:工业应用C：国防活动D:天然源2、a粒子和β粒子与物质相互作用的差别是（）.A:β粒子的比电离较α粒子小得多B:β粒子的散射角可以很大C:β粒子的辐射能量损失大得多D:a粒子会有韧致辐射E:β粒子不与物质发生作用3、适用于屏蔽X、Y射线的防护材料是（）.A:铅B：混凝土C：石蜡D:棚E:聚乙烯4、放射工作人员上岗前健康检查必检项目是（）.A:血常规 B:晶体裂隙灯检查 C:淋巴组织 D:外周血淋巴细胞染色体畸变分析5、. 工作场所监测分类有A：运行前的本底调查B:竣工试运行期的竣工验收监测C：正式投入运行后的常规监测D:场所退役终态监测E：事故工况下的应急监测6、比释动能可用来度量以下哪些粒子与物质相互作用时的能量转移A:X射线 B:中子 C:β粒子 D:a粒子 E:以上均可7、组织权重因子的作用是（）.A：组织权重因子反映了全身受到均匀照射下，个组织或器官对总危害的相对贡献B:组织权重因子反映了不同组织或器官对发生辐射随机效应的敏感性C：辐射权重因子与辐射种类和能量有关，与组织或器官无关D：组织权重因子与辐射种类和能量有关，也与组织和器官有关E：性腺的组织权重因子是0.208、放射源失去屏蔽和a放射源弥散事故的潜在辐射危害和响应行动有A:在辐射评价人员到场前不动源B:隔离放射源周围10m 以内区域C:请辐射评价人员到场支持D:辨识可能受照射的人E:检测并恢复源9、.国际放射防护委员会ICRP定义的防护量有A:剂量当量B:当量剂量C:有效剂量D:待积剂量E:照射量10、电离辐射的工业应用主要有A:工业辐照B:工业射线探伤C：核子仪D:放射性测井E：放射性示踪2020国家核技术利用辐射安全与防护考核测试试题(九)（附答案）国家核技术利用辐射安全与防护考核答案一、选择单个正确答案（共30题，每题2分，共60分）1、B2、C3、B4、B5、B6、A7、A8、D9、A10、A11、A，12、C13、B，14、A,15、C16、B17、B18、B19、A,20、B21、C22、D23、D24、A25、D，26、B27、B,28、B，29、B，30、A，二、从答案中选择多个正确答案（共10题，每题4分，共40分）1、A，B，C，D，2、A，B，C3、A，B4、A，B，D，5、A，B，C，D，E6、A，B7、A，B，C，8、A，B，C，D，E，9、A，B,C,D，10、A，B，C，D，E。
第二章 辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用
υ
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。
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。
6 吸收和射程
α射线与 射线电离效应比较 射线与β 4) α射线与β射线电离效应比较 α 射线 径迹 粗 直 电离作用 ∝ β 射线 细 弯 Z1Z2 /v2
Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度
α 电离作用强
电离作用严重 实验结果 产生离子对数目多
三、γ 射线与物质的相互作用
R = 3.2 × 10
4
A
ρ
Raiv
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。
2.几个重要概念 2.几个重要概念
射程和路径的区别
带电粒子的射程和路程
2.几个重要概念 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
5 湮没辐射
正电子与负电子相遇发生湮 灭，产生两个 0.511 MeV 的 γ光子。 光子。
γ
γ
e+ +
me+ +
射线与物质的相互作用
§5.1
α射线与物质的相互作用
1．α粒子与核外电子的作用 引起电离或激发。电离能量损失率为
4 2 d E 4 e z NZ 2 d x m col 0
2m0 2 E 2 ln I (1 2 )
（2-1）
式中：z 为α粒子的电荷
dE d x rad
表示，贝特（Bether）给出的具体表达式为
NEZ ( Z 1)e 4 dE 2 4 d x 137 m rad 0c
2E 4 4 ln m c 2 3 0
（2-5）
其中各物理量的意义与前式相同。
式中：m0、e为电子静止质量和电荷； N 为1cm3 体积吸收物质包含的原子数； Z 为吸收物质原子序数； υ 是入射电子的速度； β＝υ/c，c是光速； I 为吸收物质原子的平均电离电位； E 为入射电子的平均动能；
显然，电子的电离能量损失率除依赖于入射电子的能 量外，还与吸收物质的密度ρ和原子序数Z成正比。
第五章 射线与物质的相互作用
本章所提的射线不仅包括放射性核素衰变过程中产 生的带电粒子、不带电粒子或由二者混合形成的任何电 离辐射，也包括由射线装置产生的电离辐射。
射线与受照射物质相互作用时，不仅射线能量不断 损耗，而且强度也不断降低，甚至还会引起受照射物质 原子核的核反应。这些现象对于射线探测、射线特性研 究、射线应用及辐射防护等具有十分重要的意义。根据 实际应用情况，这里着重讨论α射线、β射线、γ射线 及中子与物质的相互作用。
dE dx col
表示（COL代表碰撞），根据贝特（Bether）公式，电子的 电离能量损失率具体可以表示为
4-3带电粒子中子与物质的相互作用
中子射线与物质相互作用
(2) 非弹性散射 中子的一部分能量用于激发原子核，而后它 离开相互作用点，被激发的原子核放出光子 后又回到基态。因此，中子的部分能量变成 了辐射γ 能。
(b) 非弹性碰撞
中子射线与物质相互作用
(3) 吸收
原子核俘获中子的过程称为吸收。俘获中子的原子 核呈激发状态，紧接着它就发射出光子或带电的粒 子。 对于几个重原子，也可能发生核裂变图。残存的原 子核常常是放射性的。
R0 0.318E
3/ 2
4.4 β 射线与物质相互作用
电子与靶物质的相互作用，主要有
电离、激发 快电子穿过靶物质时，与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞，从而把一部分 能量转给核外电子，使靶原子电离或激发。 轫致辐射 由于电子质量轻，当入射电子与靶原子核发生非弹性碰撞时，其速度和方向都 会发生很大的变化，根据经典电磁理论，将产生电磁辐射，这种电磁辐射称为 轫致辐射。带电粒子的轫致辐射引起的辐射能量损失率为
带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞
当入射带电粒子从靶原子附近掠过时，靶原子的核外电 子因库仑相互作用而受到吸引或排斥，获得一部分能量。 如果核外电子获得的能量大于轨道结合能，电子脱离原子 核的束缚逸出，成为一个自由电子，原子成为正离子。即 入射带电粒子引起的靶原子的电离过程。原子的最外层电 子受核的束缚最弱，最容易被电离。 如果核外电子在库仑相互作用中获得的动能较小，不足以 被电离，但有可能从原来较低的能级跃迁到较高的能级， 从而使原子处于激发状态，这种过程称为激发，处于激发 态的原子不稳定，会通过跃迁返回基态(退激)，退激过程 中会释放出可见光或紫外线，这就是受激原子的发光现象 。
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞
当入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库 仑引力或斥力会使入射粒子的速度和方向发生变 化。由电磁学理论可知，伴随着这种运动状态的 改变会产生电磁辐射（称为“韧致辐射”），从 而造成入射粒子的能量损失，这种能量损失称为 “辐射损失”。(辐射损失是轻带电粒子损失能量 的一种重要方式) 如电子撞击阳极靶 重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞时，可能 使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称 为库仑激发。一般库仑激发概率太小，将不予考 虑。
第二章射线与物质的相互作用
一些数据：
一些特性：
dE dx
4
me c 2
ne z 2
2
e2
4
0
2
ln
2me c 2 I 1
2 2
2
阻止本领正比于入射粒子的电荷数平方
dE dx
z2
阻止本领正比于介质的电子密度
dE dx
ne
NZ
非相对论情况下，阻止本领反比于能量
dE 1 dx E
Bethe 方程在高能区与实验数据复合较好。
Srad
(
E
)
=
(
Z +1) Ze4EN
137me2c4
é ê4 ë
ln
æ ç è
2E mec2
ö ÷ ø
-
4 3
ù
ú û
Srad µ Z 2NE
相同的速度下，电子的辐射能损比质子大很多
S µ E = v2 rad m2 2m
能量较低时电离能损占优，随着电子 能量增加，辐射能损逐渐占优。电子 与高Z材料作用时辐射能损更大。
i dq dEe
idj dq
i2p
sinj
=
æ ç è
ds
dW
ö ÷ øq
i dq dEe
i2p
sinq
电子对效应
能量超过2mec2的高能光子在与原子核作用时可能产 生电子对效应。在这个过程中高能光子消失，生成 一正一负一对电子，光子能量超过2mec2的部分成为 电子对的动能。
PSTAR 经验公式
1.00E+04
1.00E+03
1.00E+02
1.00E+01
1.00E+00
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解射线与物质的相互作用是物理学中的重要课题之一、射线主要包括X 射线、γ射线以及带电粒子射线。
它们与物质相互作用过程可以通过不同的机制进行解释，其中主要包括光电效应、康普顿散射、电子对产生以及核反应等。
本文将详细介绍射线与物质不同相互作用过程的全解。
首先，光电效应是指射线与物质相互作用时，射线能量被物质的原子或分子吸收，同时将一些原子或分子的一个外层电子打出，使其形成自由电子，并使原子或分子离子化。
光电效应的发生需要满足光子能量大于物质原子或分子的束缚能。
在光电效应中，射线的能量被完全转化为电子的动能，并且随着射线能量的增加，光电效应的截面逐渐增大。
其次，康普顿散射是指射线与物质相互作用时，射线与物质中的自由电子碰撞，并转移能量。
在康普顿散射过程中，射线的能量减小，同时产生散射射线，其散射角度与原始射线方向有关。
康普顿散射的截面依赖于射线能量和散射角度，而与物质性质无关。
因此，康普顿散射广泛应用于材料成分分析和非破坏性检测等领域。
第三，电子对产生是指高能射线与物质相互作用时，射线的能量转化为正负电子对。
在电子对产生中，射线的能量足够高，超过物质原子或分子的静止能量，因此，能够产生正负电子对。
电子对的产生量与射线能量呈正比，并且与物质性质无关。
最后，核反应是指射线与物质的原子核相互作用而产生新的核反应产物。
核反应的过程可以分为两类：一类是射线与原子核碰撞产生的弹性散射或非弹性散射，另一类是射线与原子核相互作用产生裂变反应或聚变反应。
核反应的截面与射线能量和物质的原子核性质密切相关。
需要指出的是，射线与物质相互作用过程的解释是基于经典物理学理论的基础上进行的。
在高能物理学领域中，射线与物质相互作用的解释需要使用量子场论的框架来描述。
此外，射线与物质的相互作用和影响还涉及到辐射生物学、辐射医学以及放射化学等学科的研究。
这些都是相当广泛和复杂的领域，需要进一步深入的研究和实践来完全解释。
射线与物质相互作用
平均电离能(W)—每产生一对离子（包括原电离与次级电离）， 带电粒子（如α粒子）所损耗的平均能量。
WE N
N—初始动能为E的带电粒子被介质 完全阻止时形成的离子对数。
α粒子在空气中产生一对离子所损耗的平均能量(W值)约35.5eV。
（二）比电离（电离密度）
入射带电粒子（如α粒子）在每单位长度路径上产生的离子 对总数称比电离（或电离密度）。
载能入射带电粒子与靶物质原子相互作用的主要方式： 作用对象： • 原子（核外电子）； • 原子核 作用方式： 载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其
中前两种是主要的： (1) 电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的 非弹性碰撞过程
(2) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程
这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子 的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的 阻止作用称为核阻止。
核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子 入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起 反散射的主要过程。
α粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小， 运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以使晶体原子 位移，形成缺陷，即造成物质辐射损伤。
原电离—由α粒子与原子壳层电子直接作用 形成的电离；
++
++ -+ -
+ ++-++-+-++--++--++--+-++----
+-++--+-
+ -- -
-
次级电离—原电离中产生的电子继续与其他 带电粒子在穿过介质的
4射线与物质的相互作用
4射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用是重要的物理现象，而γ射线是最能穿透物质的射线之一、在本文中，我们将探讨γ射线与物质的交互作用以及其在实际应用中的一些重要性。
γ射线是一种高能电磁辐射，具有极短的波长和高能量。
由于其能量较高，γ射线能够穿透物质，与其相互作用的方式不同于其他类型的射线，如α射线和β射线。
γ射线与物质的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射和正负电子对产生。
这些相互作用方式是基于射线与物质中的原子核和电子相互作用的不同方式。
光电效应是γ射线与物质中的原子相互作用的结果。
当γ射线与物质中的原子相互作用时，光电效应会发生。
这种效应发生在γ射线传递给物质中的一个原子时，能量足够大，以至于它能够从原子中剥离一个电子。
这个被剥离的电子会产生一个光电子，其能量等于原子束缚电子与γ射线之间的能量差异。
康普顿散射是γ射线与物质中电子相互作用的结果。
当γ射线与物质中的电子相互作用时，康普顿散射会发生。
这种散射使γ射线的能量发生变化，并且使其改变方向。
这种散射事件发生的概率依赖于射线的能量以及物质中的电子密度。
正负电子对产生是通过相互作用的γ射线产生正负电子对的结果。
在此过程中，γ射线的能量转化为质子和反质子的质能，并且正负电子对几乎可以立即转化为电子和正电子。
γ射线与物质的相互作用有许多实际应用。
其中一个重要的应用是在医学成像中，如X射线、CT扫描和放射性同位素扫描中。
γ射线能够穿透人体组织，从而提供用于诊断和治疗的重要信息。
另一个应用是在核能产生中。
γ射线是核反应的一个产物，它能够提供对核反应过程的重要信息，以及对天然放射性物质的辐射测量。
此外，γ射线还用于工业应用。
它被广泛应用于无损检测，如金属检测和材料分析。
由于其能够穿透物质，γ射线可以检测到隐藏在物体内部的缺陷和杂质。
射线与物质的相互作用还存在一些潜在的危害。
由于γ射线能够穿透物质，暴露于γ射线下可能会导致辐射损伤和放射性污染。
放射性地球物理第二章射线与物质相互作用课件
dE dX
＝ 辐射
NEZZ 1e4
137m02C 2
4ln
2E m0C 2
4 3
讨论：
1)
dE dX
辐射
1 m02
电子的辐射损失比α、P粒子大。
2) dE Z 2 高速电子、重介质辐射损失大。
dX 辐射
故用轻介质屏蔽轫致辐射。
3) dE E 能量增加，辐射损失增大。 dX 辐射
第一节 带电粒子与物质相互作用
一、带电粒子与物质相互作用的一般特征
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 的电离与激发。引起能量的电离损失。
1）电离
称为δ电子
库仑作用
自由电子
+ 正离子
第一节 带电粒子与物质相互作用
一、带电粒子与物质相互作用的一般特征
与核外电子发生非弹性碰撞
③(dE/dX)电离可以表示物质对带电粒子的碰撞阻
止本领，此外，尚用质量阻止本领
1（
dE dX
）电离
第一节 带电粒子与物质相互作用
二、α粒子与物质的相互作用
3、 α粒子与核外电子的作用
(4) α粒子与原子核的作用
α粒子与核作用形式：卢瑟福散射；核反应。
卢瑟福散射－α粒子与核库仑场作用而改变方向；
核反应－进入原子核，使原来的原子核发生变化，从而 产生新核并放出1个或几个粒子。记为A（α,n）B。 几个利用α射线完成的著名的核反应： 1）利用210Po放出的α粒子轰击9Be制成的靶，可以产生 12C和中子（查德威克1932 ），导致中子的发现：
dE dX
＝ 2
电离
e4Z m0 v 2
N
ln
m0v 2 E
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会发生很大的变化，根据经典电磁理论，将产生电磁辐射，这种电磁辐射称
为
轫致辐射。带电粒子的(轫致dd辐Ex射)r引ad起的辐zm2射Z2能2量N损E失率为
所以X射线管中用高能量电子、高原子序数靶 多次散射
电子与靶原子核库仑场发生相互作用时，还可能发生弹性散射，即只改变运 动
方向，不辐射能量。由于电子质量比原子核小得多，因此散射角度可以
(c) 进行粒子放射的吸收
(d) 进行核裂变的吸收
中子射线强度的指数衰减规律
α射线与物质相互作用
•(1) α射线与核外电子作用 •α粒子在物质中通过时，由于α粒子和原子核外电 子的库仑作用，使电子获得能量。如果这种能量能 够使电子克服核的束缚，电子将脱离原子而成为自 由电子，即为电离。如果α粒子传给电子的能量较 小，还不能使电子脱离核的束缚变成自由电子，但 是电子有可能从原来的能级跃迁到更高的能级上去
如电子撞击阳极靶
重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞时，可能 使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称 为库仑激发。一般库仑激发概率太小，将不予考 虑。
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核发生库仑相互作用而改变其 运动速度和方向，但不辐射光子，也不激发原子 核，碰撞前后保持动量守恒，入射粒子损失能量 ，靶原子核反冲。入射粒子可以多次与靶原子核 发生这种弹性碰撞，造成能量损失。同时反冲的 靶原子核如果能量较高，也可以与靶原子核发生 弹性碰撞，这种级联碰撞可造成靶物质的辐射损 伤。从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，这种 作用过程也称为“核阻止”。
，使原子处于较高的能量状态，即为激发。
荧光光子
散射光子
α射线
e
(a) 激发
α射线
e
(b) 电离
α射线与物质相互作用
•(2)α粒子与原子核作用 •α粒子在介质中通过时，它可能与原子核发 生库仑作用而改变运动方向。此外，α粒子还 可能进入原子核，使原子核发生根本性变化 ，即产生一新核并放出一个或几个粒子，这 一过程称为核反应。
•(1) 弹性散射 •弹性散射使中子的一部分能量转变为原子核的动能 ，该原子核即称为反冲核，而中子本身则改变了原 来的运动方向。弹性散射前后，中子与原子核两者 的总动能保持不变。当中子能量不高时，中子与一 些轻核物质作用，弹性散射是主要作用过程。原子 核越轻中子转移给它的能量越多。
(a) 弹性碰撞(在氢核上)
可用下面的经验公式表示：
R0 0.318E3/ 2
β 射线与物质相互作用
• 电子与靶物质的相互作用，主要有
电离、激发
快电子穿过靶物质时，与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞，从而把一 部分能量转给核外电子，使靶原子电离或激发。
轫致辐射
由于电子质量轻，当入射电子与靶原子核发生非弹性碰撞时，其速度和方向 都
4.9带电粒子与物质的相互作用
•具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中时，带电 粒子与其路径上靶物质的原子核或电子会发生库伦 相互作用，从而把一部分动能转移给靶物质的电子 或原子核而逐渐损失能量，最终停止在靶物质中， 这个过程称为慢化过程。 •(1) 带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞 •(2) 带电粒子与靶原子的核外电子发生弹性碰撞 •(3) 带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞 •(4) 带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞
入射带电粒子的能量很低，或入射粒子质量很大 时作用明显。
带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞
当入射带电粒子从靶原子附近掠过时，靶原子的核外
电子因库仑相互作用而受到吸引或排斥，获得一部分能量 。
如果核外电子获得的能量大于轨道结合能，电子脱离原子 核的束缚逸出，成为一个自由电子，原子成为正离子。即 入射带电粒子引起的靶原子的电离过程。原子的最外层电 子受核的束缚最弱，最容易被电离。
如果核外电子在库仑相互作用中获得的动能较小，不足以 被电离，但有可能从原来较低的能级跃迁到较高的能级， 从而使原子处于激发状态，这种过程称为激发，处于激发 态的原子不稳定，会通过跃迁返回基态(退激)，退激过程 中会释放出可见光或紫外线，这就是受激原子的发光现象 。
带电粒子与核外电子的弹性碰撞
•在这种弹性碰撞中，入射粒子与核外电子发 生库仑相互作用，碰撞前后体系的能量和动 量守恒。入射粒子将微小的一部分能量转移 给靶原子的核外电子，但不足以改变核外电 子的能量状态。这种相互作用可以看成是入 射粒子与整个靶原子的相互作用。
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞
当入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库 仑引力或斥力会使入射粒子的速度和方向发生变 化。由电磁学理论可知，伴随着这种运动状态的 改变会产生电磁辐射（称为“韧致辐射”），从 而造成入射粒子的能量损失，这种能量损失称为 “辐射损失”。(辐射损失是轻带电粒子损失能量 的一种重要方式)
中子射线与物质相互作用
中子通过物质时，由于不带电荷几乎不能 和原子的电子相互作用，因而不能直接使 物质电离，需要通过物质相互作用产生次 级粒子来使物质电离。
中子与物质相互作用可分为散射和吸收， 中子的散射可分为弹性散射、非弹性散射 及去弹性散射。
中子的吸收分为辐射俘获与散裂反应。
中子射线与物质相互作用
中子射线与物质相互作用
•(2) 非弹性散射 •中子的一部分能量用于激发原子核，而后它 离开相互作用点，被激发的原子核放出光子 后又回到基态。因此，中子的部分能量变成 了辐射γ 能。
(b) 非弹性碰撞
中子射线与物质相互作用
•(3) 吸收
•原子核俘获中子的过程称为吸收。俘获中子的原子 核呈激发状态，紧接着它就发射出光子或带电的粒 子。 •对于几个重原子，也可能发生核裂变图。残存的原 子核常常是放射性的。
α射线与物质相互作用
• (3)α射线的射程
α粒子它沿入射方向所穿过的平均距离，就称为 入射粒子在该物质中的平均射程。
α射线在不同物质中有不量有关。能量
越大，射程越长。
R
R
dx
0
E0
dE
0 （- dE / dx）ion
对于能量在3～7MeV的α粒子在空气中的平均射程