射线与物质的相互作用

二、带电粒子与物质的相互作用
实验结果
❖α粒子质量大，穿透 力弱，一张纸就可以 挡住；
❖β射线质量小，是α粒 子的1/7300，穿透力 强，可穿过皮肤； 与高Z物质作用产生 较强的轫致辐射，所 以使用低Z物质防护， 如铝。
射线与物质的相互作用
三、γ射线与物质的相互作用
❖光电效应 ❖康普顿效应 ❖电子对效应
三、γ射线与物质的相互作用
γ射线对物质的电离作用：
第1步 初级作用
射线
三种作用效应
光电效应 康普顿效应 电子对效应
产生次级电子
第2步 次级作用
电离效应
次级电子使 物质原子电离
三、γ射线与物质的相互作用
3.1 光电效应(Photoelectric Effect)
➢ 射线(光子)与原子中束缚电子作用，把全部能量转移 给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子)，而光 子本身消失的过程，称为光电效应。
0
很大
1
0
很大
在生物组织 穿过的距离
0.04毫米 5毫米
穿过人体 穿过人体
五、总 结
❖射线穿透能力
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❖弹性碰撞
❖核反应
01n 11H 01n p
14 7
N
01n
164C
p
产生的质子引起物质的电离，人体中有大量的H和 N原子，中子对人电离效应严重，伤害严重。
探测使用含氢物质，如含氢正比管、有机闪烁体等； 防护使用含氢物质，如聚乙烯、石蜡、水等。
五、总 结
❖射线与物质的作用过程
辐射
作用过程
α β
一、引 言
核辐射
❖α粒子：氦核，两个正电荷 ❖γ射线：光子
❖β射线：电子或正电子
❖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）
1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
-0.5
-1.0
0
20
40
60
X Axis Title
入射光子
原子核
B
80
100
正电子 电子
三、γ射线与物质的相互作用
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3.3 作用截面
➢ 射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概 率，用截面这个物理量来表示作用概率的大小。
❖光电效应截面 ❖康普顿效应截面 ❖电子对效应截面
原子核
反冲电子
h 1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
入射光子 -0.5 -1.0
0
20
40
60
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。
ph Z 5 E7 2
c Z E
p Z 2 E
❖ 采用高Z物质可以有效阻挡射线，例如铅； ❖ 采用高Z物质可提高探测效率，例如碘化钠； ❖ 总的来说，由于射线不带电、无静止质量，穿透力
较强。
射线与物质的相互作用
四、中子与物质的相互作用
➢ 中子与物质的相互作用实质上是 中子与物质原子核的相互作用。
原子核
1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0
0
20
40
60
X Axis Title
80
入射光子
B 100
光电子
YAxisTitle
三、γ射线与物质的相互作用
3.2 康普顿效应(Compton Effect)
➢ 射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过 程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离 原子成为反冲电子，而光子受到散射，运动方向和能 量都发生变化，称为散射光子。
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
辐射
α β γ 中子
质量
电荷
在空气重穿 过的距离
4
+2
0.03米
1/1840 -1（+1） 3米
0
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
带电粒子与物质的作用，可分为：
❖ 与物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程 ❖ 与原子核的非弹性碰撞过程
❖ 与原子核的弹性碰撞 ❖ 与核外电子弹性碰撞
两种非弹性碰撞是主要的作用方式
二、带电粒子与物质的相互作用
2.1 与原子核外电子的非弹性碰撞
核武器辐射探测与防护基础
——射线与物质的相互作用
第二炮兵工程大学核技术与核安全教研室 王继虎
内容
一、引言 二、带电粒子与物质的相互作用 三、γ射线与物质的相互作用 四、中子与物质的相互作用 五、总结
一、引 言
核武器
❖战略威慑作用 ❖大国地位象征
一、引 言
核材料
❖铀、钚、氚
核辐射
❖α粒子、β射线 ❖γ射线、中子
出射粒子仍为中子、剩余核仍为原有原子核。
四、中子与物质的相互作用
4.2 非弹性散射
➢ 中子入射到物质原子核内，部分能量传给原子 核，使核处于激发态，中子带着剩余的能量从 核内飞出，激发态核放出 光子损失能量，原子 核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞。
入射中子的能量损失不仅使原子核得到反冲， 且使原子核处于激发态。
➢ 入射带电粒子与原子的核外电子通过库仑力作用，使 电子获得能量而引起原子的电离或激发。
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
2.3 能量损失率
❖电离能量损失率
❖辐射能量损失率
dE dx
ion
z2 v2
NZ
dE dx
rad
z2E m2
NZ 2
z入射粒子电荷数；v入射粒子速度；m入射粒子质量； N靶物质单位体积的原子数；Z靶物质原子的原子序数。
对于α等重带电粒子，电离损失是主要方式； 对于β等轻带电粒子，在高Z物质中辐射能量 损失是不可忽略的。
四、中子与物质的相互作用
4.3 中子俘获
➢ 中子被物质原子核俘获后，形成稳定或不稳定 的新核素，这种现象称中子俘获。
中子俘获包括(n,γ),(n,f),(n,α)(n,p)四种类型反应。
10 5
B
01n
7 3
Li
3 2
He
01n
31T
p
三氟化硼正比管 氦-3计数管
四、中子与物质的相互作用
4.4 中子的危害
❖弹性碰撞 ❖非弹性碰撞 ❖中子俘获
四、中子与物质的相互作用
4.1 弹性散射
➢ 中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子 核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲 核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续 行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷 的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质 电离和激发。