2-射线与物质的相互作用

α粒子在通过物质时， 其路径近乎一条直线，只是 在它路径的末端略有一些弯 曲；对于一束单能的α粒子， 它们在物质中的射程几乎相 同。α粒子的射程与能量相 关，能量越大射程越大。相
图2-1 α粒子在核乳胶中的径迹
同能量的α粒子在同一均匀
物质中的射程服从统计规律， 但涨落很小。
不同能量的α粒子在空气、生物阻织和铝中的平均射 程已由实验测出，如表2-1所示。
准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能窄 束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，
运动方向，即卢瑟福散射，还可能进入原子核，使原来的 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，属于核反应过程。例如用210Po放出的α粒子打击9Be 制成的靶，产生12C和中子，这一过程可写成核反应式：
9 4
Be α C n 5.901MeV
4 2 12 6 1 0
或简单写成：
dE dx 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
（2-6）
其中各物理量的意义与（2-5）式相同。 由于辐射能量损失率与吸收物质原子序数Z 的平方成 正比，这表明高能电子射到重元素上更容易产生韧致辐射。
E max
Eγ m0 c 2 1 2Eγ
表明康普顿效应产生的反冲电子的能量 有一上限最大值，称为康普顿边界。
Cs-137放射源的γ 射线能谱图
⑶ 电子对效应
当γ光子能量大于2 m0c2时， γ光子从原子核旁经过并受到 核的库仑场作用，可能转化为 一个正电子和一个负电子，称
为电子对效应。此时光子能量
表2-1 Eα /MeV 空气/cm
生物组织/μm
α粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程 4.5 3.0 37 20 5.0 3.5 43 23 5.5 4.0 49 26 6.0 4.6 56 30 6.5 5.2 64 34 7.0 5.9 72 38 7.5 6.6 81 43 8.0 7.4 91 48 8.5 8.1 100 53 9.0 8.9 110 58 10.0 10.6 130 69
发现，故称切伦科夫辐射。
2.2.6 湮没辐射
一个粒子与其相应的反粒子发生碰撞时，其质量可能转 化为γ辐射，称湮没辐射。例如一个β+粒子与一个负电子碰
撞，产生两个（或三个，但几率很小）能量为0.511 MeV的γ
光子。实验证明，大部分正电子是在低能时湮没的。
2.3 γ 射线与物质的相互作用 两个问题：
Ai
i
（2-4）
式中：Ri为α粒子在i吸收物质中的平均射程；ρi为i吸收物质的密度；Ai 是i吸收物质原子质量数；R是空气中α粒子的平均射程。
2.2 β 射线与物质的相互作用
2.2.1 β粒子引起的电离和激发
图2-2 电子与原子的弹性碰撞与非弹性碰撞示意图 （a）弹性碰撞 （b）非弹性碰撞
由原入射电子产生的电离称为直接电离。在直接电离 中产生的电子叫做次级电子，如果次级电子具有足够高的 能量，它还能引起其他原子产生电离，称为次级电离。 电子在某物质中通过单位长度路径时，由于电离和激
γ光子与物质原子相互作用主要有三种方式，如图所示。
图2-4 γ光子与物质原子相互作用
⑴ 光电效应
能量为Eγ的入射γ光子把全 部能量转移给某个束缚电子，使 电子脱离原子束缚而发射出去， 成为光电子，光子本身消失。发
射光电子的动能Ee为
Ee Eγ Bi
出特征X射线。
（2-14）
Bi为束缚电子所在壳层的结合能。原子内层电子脱离原子后 留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放
可表示为两个电子的动能与静 止能量之和，即
Eγ Ee Ee- 2m0c
2
（2-17）
一个重要的结论：
γ光子与物质发生作用时，能量较低时以光电效应为
主，如果γ射线能量接近 1 MeV，康普顿效应将占主导 地位，而当γ射线能量超过 1.02 MeV时，就有可能产生 电子对效应。
2.3.2 窄束γ射线的吸收
β x
I I 0e
（2-8）
式中：I0表示进入吸收物质前的β射线强度，I是穿过x cm 厚度吸收物质后的β射线强度，μβ为吸收物质对β粒子的线 性吸收系数，单位是cm-1。
在实际应用中，吸收物质厚度单位常使用质量厚度 g∙cm-2，此时对应的吸收系数称为质量吸收系数（单位是 cm2/g）。引入质量厚度的概念后，上式可改写为
（2-7）
如果从吸收物质的角度来命名，可定义
dE dE dE dx dx rad dx col
为物质的线阻止本领。对应于线阻止本领，还有质量阻止
本领，表示入射电子在通过单位质量厚度(1 g∙cm-2)某物
质时的能量损失，记作
d R,m,1/2 0.032Eβ, max
（2-13）
2.2.5 切伦科夫辐射
高速带电粒子（如β粒子）通过折
光系数较大的物质时，它的速度有可能 大于光在该物质中的传播速度，此时带 电粒子的能量将有一部分以可见光或接 近可见光的形式释放出来，这种现象于
1934 年首先被前苏联科学家切伦科夫
d R ,1/ 2
ln 2
R

0.693
R
（2-11）
如果将μR以μR,m替换，则dR,1/2变换为dR,m,1/2，称为 半质量厚度，是粒子束强度减弱一半时所需要的吸收物
质的质量厚度。两个常用公式如下：
d R ,m,1/2
ln 2
R ,m

0.693
R, m
1.33
（2-12）
2.1 α 射线与物质的相互作用
2.1.1 α粒子与核外电子的作用
α粒子在某物质中通过
单位长度路径时，由于电离
核
激发
E α
和激发而引起的能量损失称 为电离能量损失率，用
dE dx col
表示（COL代表碰撞），根据贝特（Bether）公式，α粒子
的电离能量损失率具体可以表示为
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。
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。
发而引起的能量损失称为电离能量损失率，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
2 e 4 NZ dE m0 2 dx col
（2-5）
2 m0 2 E 1 2 2 2 2 ln 2 I 2 (1 2 ) ln 2 2 1 1 (1 ) 8 1 1
9 4
Be , n C
12 6
2.1.3 α粒子的吸收与射程
入射粒子在穿过一定物质时，强度会减弱，如果物
质的厚度足够大，则入射粒子会完全停留在物质中，这
种现象称为吸收。 带电粒子从进入物质到完全被吸收，在其原来的运 动方向上穿过的最大距离称为带电粒子在该物质中的射 程。对于不带电粒子不讨论射程问题。
⑵ 康普顿效应
γ光子与电子发生碰撞，将一 部分能量转移给电子，使电子成为 反冲电子，γ光子被散射，改变了 原来的能量和运动方向，这就是康
普顿效应。反冲电子的动能为
Eγ Ee m0c2 1 Eγ 1 cos
（2-15）
式中：m0c2为电子静止能量，约为0.5 MeV；θ是散射角。 当 θ＝1800时，反冲电子的动能有最大值，此时
（1）γ射线与α、β、中子辐射之间的差异 （2）γ射线与X射线之间的差异
X射线与γ射线都是电磁波，但产生的方式和波长不同。 γ射线是激发态原子核退激或正负粒子对湮灭的产物，
而X射线是原子的壳层电子由外层向内层空位跃迁或快速电子
与原子核外电子库仑场作用的产物。一般说来，γ射线波长比 X射线波长更短。
2.3.1 γ射线与物质相互作用机理
I I 0e
β, m β
β ,m xm
（2-9）
xm x
式中：μβ,m表示吸收物质对β粒子的质量吸收系数；xm表示 吸收物质的质量厚度；ρ为物质密度。
质量吸收系数μβ,m与β粒子最大能量的经验公式为
β, m
22 1.33 Eβ, max
（2-10）
在辐射防护领域，常将单向粒子流的辐射量或强度减少 到初始值一半时的减弱层厚度称为半厚度，也称半值厚度或 半值层，以dR,1/2表示（下标R代表粒子流类型）。对于指数 衰变系统，存在
4 e4 z 2 NZ dE 2 d x m col 0
2m0 2 E 2 ln I (1 2 )
（2-1）
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；z为入射粒子的电荷；υ 是入射
2.2.2 韧致辐射
当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外 库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全 部转变为连续能量的电磁辐射，这就是韧致辐射，又称 韧致X射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到
电子的最大动能。
电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射 而损失的能量称为辐射能量损失率，用
4.0 2.5 31 16
铝/μm
能量范围在4～8 MeV之间的α粒子在空气中的射程与 能量关系的经验公式为