射线与物质的相互作用
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。
第一章——第二节_X射线与物质的相互作用
9
X射线的透射/吸收系数
为了更准确的表达物质本质的吸收特性，引入质量吸收系数μm
m
l
将上式代入 I e u l H I0
I I0emH I0emm
m为单位面积厚度为H的体积中的物质的质量。
μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量。
若吸收体为化合物、固溶体或混合物时， μm取决于各组元质量吸 收系数μmi及各组元的质量分数wi。
n
m mi w i （n为组元数） 源自 1 10X射线的透射/吸收系数
对于确定物质， μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。 其关系为：
m K43Z 3 （K4为常数）
由上式可以看出：
12
吸收限的概念
随入射波长变化，会相继出现K、L和M吸收限。描述质量吸收系数 随波长改变的关系曲线称为吸收曲线（谱线）。
13
吸收限的应用
滤波片的选择
在XRD分析中，利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波 片，用以吸收不需要的辐射，可以获得基本单色的入射X射线。
光电管阳极靶发射的K系X-
射线包括Kα和Kβ，Kα的强
度为x处的dx厚度物质，其强度衰减率dIx/Ix可表示为：
dI x Ix
l dx
强度的衰减dIx/dx与dx成正比。
负号表示随厚度增加时强度降低。
H x dx
μl为常数，称为线吸收系数,是X射线通 过单位厚度（即单位体积）物质的相对 I0 衰减量。表明物质对X射线的吸收特性。
Ix Ix+dx I
3
第二节 X射线与物质的相互作用
当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射， 一部分被吸收，其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。
2射线和物质的相互作用
～
1 2
中速区尚无合适的理论计算 公式，实际使用时都是一些 实验数据的拟合公式。
原子阻止截面
e
n
单位：每原子eVcm2
电子阻止截面 e
1 dE ( )e N dx
核阻止截面
各种物质对不同能量的质子和粒子的阻止本领、 原子阻止截面，已有详细的实验数据和理论计算 值，应用时可查阅相关资料。
• • •
低速带电粒子入射时 入射粒子速度低于轨道电子的平均速度时，电 荷交换效应变强。 考虑外层电子对核库仑场的屏蔽，得出：
zZ dE 1/ 6 2 z 8e Na0 2 / 3 2 / 3 3/ 2 (z Z ) 0 dx e
与速度成正比
（二）核阻止本领
（一）电离损失或电子阻止本领
——与核外电子的非弹性碰撞过程
入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电 子获得能量而引起原子的电离或激发。入射粒子通过这 种方式损失能量称为电离损失或电子阻止本领。
快速带电粒子入射时 从经典角度出发，假设入射粒子与“静止”的 “自由电子”的弹性碰撞。入射粒子的电荷数 是确定，等于它的核电荷数。
E小，大； Z大，大。 定义： 反散射系数
I I0
低Z的元素。
电子的辐射损失
在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：
dE 4 NZ ( Z 1)e 4 2 4 137m0 c dx r
2E 1 E ln 2 m c 3 0
顺序倒了！
对于电子，在低能时，电离损失占优势，在高能 时（尤其在相对论区），辐射损失变得重要。
——与原子核发生弹性碰撞过程
采用与电子本领相类似的步骤，得到核阻止本领 公式为： 2 4
第四章 射线与物质的相互作用
子核处于激发态，退激时发出射线的本质不同。
4
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用：
1>. 射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：
电离、激发电离损失
入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激 发，是射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失。有时 也称之为非弹性碰撞能量损失。
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
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中，称 之为吸收。
8
第四章 射线与物质的相互作用
第二节
重带电粒子与物质的相互作用
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用： 1>. 射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞： －引起作用物质原子的电离、激发 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
继续发生碰撞电离。
2
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用： 1>. 射线与核外电子的非弹性碰撞：
电离：
• 原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。 • 如果原子的内壳层电子(像K层、L层电子)被电离，便会在该壳层上留 下空穴，外层高能级的电子就要向内层的空穴跃迁，多余的能量就会 以特征x射线或者俄歇电子的形式发射出来。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线是一种高能电磁辐射，当它与物质相互作用时，会产生三种主要的相互作用方式：康普顿散射、光电效应和正负电子对产生。
首先是康普顿散射。
康普顿散射是指当γ射线与物质中的电子相互作用时，γ射线的能量被电子散射并改变方向。
在这个过程中，γ射线会获得电子的部分动能，在较大的散射角度处发生散射。
康普顿散射是γ射线与物质相互作用的主要方式之一，特别适用于高能γ射线。
其次是光电效应。
光电效应是指当γ射线通过物质时，与物质中的原子产生相互作用，电磁能量被物质原子中的束缚电子吸收，从而将束缚电子从原子中释放出来，这个过程称为光电效应。
在光电效应中，γ射线会将一部分或全部能量转移给原子中的电子，使其获得足够的能量以克服束缚力从而跃迁到连续态或离散态。
光电效应对低能γ射线具有较高的敏感性。
最后是正负电子对产生。
当γ射线的能量较高时，它可以发生与物质原子相互作用，产生正负电子对。
这个过程称为正负电子对产生。
γ射线的能量转化成正负电子对的质能，其中正电子通过与原子中的电子湮灭而产生γ射线以及其他次级粒子。
总结起来，当γ射线与物质相互作用时，康普顿散射会改变γ射线的方向，光电效应能够释放束缚电子，而正负电子对产生则会产生正电子和其他次级粒子。
这三种相互作用方式在不同能量范围内起主导作用，我们可以基于这些相互作用方式来有效使用γ射线进行不同的应用，如核能、医学和材料科学等领域。
射线与物质的相互作用
光电效应
作用对象：X-射线与物质原子的内层电子或束缚电 子相互作用。 过程：若光子能量大于束缚电子的结合能。 电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， 物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 “光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； 空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
光电子发射的方向与入射光子的能量相关，当入射光子的 能量较低时，光电子主要分布在与入射光子方向垂直的方 向；随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾
向于入射光子的方向。
光电效应特征
光电子 光子激发原子内层电子并击出电子(光电子) ，原子在发射光电子的同时内层出现空位 ，此时原子(实际是离子)处于激发态，将发 生较外层电子向空位跃迁以降低原子能量 的过程，此过程可称为退激发或去激发过 程。退激发过程有两种互相竞争的方式， 即发射特征X射线或发射俄歇电子。
散射前后能量分布
散射光子
h h 1 (1 cos )
h me c 2
反冲电子
hv hv
Ek ,max 2 h 1 2
康普顿效应
入射光子与外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞，入射光子的一部分能量转移给电 子，使电子成为反冲电子，同时，入射光 子的能量减少，成为散射光子。 发生几率：原子序数低↑，中等能量↑。 特征
光电效应发生条件与概率
如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结 合能，入射光子与原子的轨道电子相互作用时， 光子把全部能量传递给轨道电子，使之发射出去 ，而光子本身消失。
光子能量守恒
Ee=hv-Ei
发生概率：低能量↑、高原子序数↑。光电效应的
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
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解1.α射线与物质相互作用：α射线是由两个质子和两个中子组成的氦核，在与物质相互作用时，主要通过库仑相互作用与物质中的原子核和电子发生碰撞。
-α粒子与原子核碰撞：由于α粒子具有正电荷，与带正电荷的原子核发生库仑力相互作用。
当α粒子的动能较高时，它能够克服原子核的库仑斥力，与原子核进行散射或靶核核反应。
例如，α衰变中，α粒子通过电子云与原子核接触，克服库仑斥力，从而离开原子核。
-α粒子与电子碰撞：α粒子也能与物质中的电子发生库仑散射。
这种散射主要影响较低能量的α粒子，使其改变方向，并逐渐失去能量。
2.β射线与物质相互作用：β射线包括β正电子和β负电子，它们在与物质相互作用时，主要通过电磁相互作用与物质的电子发生碰撞。
-β电子与物质中的电子相互作用：β电子与物质中的电子发生库仑散射，导致β电子方向改变，并逐渐失去能量。
此外，β电子还会与物质中的原子核发生库仑相互作用，引起散射或产生次级带电粒子。
同时，β电子还会与物质中的靶核发生β衰变反应。
-β正电子与物质相互作用：β正电子与物质中的电子发生湮没作用，这是由于正电子和电子之间的共振效应导致的。
正电子与物质中的电子湮没后，能量转化为两个光子。
3.γ射线与物质相互作用：γ射线是电磁波，在与物质相互作用时，主要通过光电效应、康普顿散射和对消能量通过光子转化为电子对等几种机制与物质发生相互作用。
-光电效应：γ射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
-康普顿散射：γ射线与物质中的电子发生碰撞，因为能量较高，导致电子被击中后发生能量和动量的转移，γ射线发生能量和方向的散射。
-电子对产生：γ射线经过物质时，其能量可能会转化为电子对（正电子和电子对）。
这是一种相对论效应，当γ射线的能量较高时，会出现这种现象。
4.X射线与物质相互作用：X射线与物质相互作用的主要机制是光电效应和康普顿散射。
-光电效应：X射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
第四章射线与物质相互作用1
原子核物理
射线(Ray)又称辐射（ 射线(Ray)又称辐射（Radiaton) (Ray)又称辐射 能量大于10ev的辐射称作电离辐射（ Radiaton） 能量大于10ev的辐射称作电离辐射（Ionizing Radiaton） 10ev的辐射称作电离辐射 电离辐射通常可分为四大类： 电离辐射通常可分为四大类： 带电粒子辐射 快电子 重带电粒子 非带电粒子辐射 电磁辐射 中子
原子核物理
理论计算得到的轫致辐射引起的能量损失率为： 理论计算得到的轫致辐射引起的能量损失率为：
dE Z (− ) ra d ∝ dx m
2 2
NE
辐射损失率与Z 成正比， 辐射损失率与Z2成正比，说明电子打到重元素中容易发生轫致 辐射。这一特性对选择合适的材料来阻挡β粒子很重要： 辐射。这一特性对选择合适的材料来阻挡β粒子很重要：从电离 损失考虑，采用高Z元素来阻挡较好， 损失考虑，采用高Z元素来阻挡较好，但这样会引起很强的轫致 辐射，反而起不到保护，所以采用低Z元素防护。另外， 辐射，反而起不到保护，所以采用低Z元素防护。另外，辐射损 失率与粒子能量E成正比，这与电离损失不同， 失率与粒子能量E成正比，这与电离损失不同，所以当电子能量 低时，电离损失占优势；电子能量高时，辐射损失占优。 低时，电离损失占优势；电子能量高时，辐射损失占优。在相 对论能区，辐射损失和电离损失之比为： 对论能区，辐射损失和电离损失之比为：
原子核物理
5.1.1 重带电粒子在物质中的能量损失 快速运动的质子、 快速运动的质子、α粒子一类重带电粒子在穿过靶物质 与物质原子发生非弹性碰撞，将能量转移给电子， 时，与物质原子发生非弹性碰撞，将能量转移给电子，导致 原子的电离和激发，从而导致带电粒子的能量损失。 原子的电离和激发，从而导致带电粒子的能量损失。 带电粒子的能量损失分为核碰撞能量损失 核碰撞能量损失和 带电粒子的能量损失分为核碰撞能量损失和电子碰撞能量损 对于高能(MeV)带电粒子 带电粒子， 失。对于高能(MeV)带电粒子，原子核碰撞所导致的能量损 失远远小于与核外电子碰撞所导致的能量损失。 失远远小于与核外电子碰撞所导致的能量损失。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是指X射线和物质之间的相互作用过程。
X射线是一种电磁波辐射，具有较高的能量和波长较短的特点，因此与物质的相互作用过程具有一定的独特性。
在医学诊断、工业探伤和材料分析等领域中，人们广泛应用X射线技术来与物质进行相互作用研究，以获取物质的内部结构和特性信息。
那么，X射线与物质的相互作用主要有哪些方式呢？首先，最主要的相互作用方式是X射线的吸收和散射。
当X射线穿过物质时，会发生与物质中原子核和电子的相互作用。
原子核对X射线的散射影响很小，主要的相互作用是X射线与物质中电子的相互作用。
当X射线被物质中的电子吸收或散射时，能量和方向都会发生改变。
其中，光电效应、康普顿散射和正负电子对产生是主要的相互作用过程。
光电效应是指X射线与物质中电子发生相互作用，在物质中的电子吸收X射线能量并获得足够能量后从原子或分子中脱离，形成光电子。
这种相互作用方式对原子序数较小的低原子序数元素来说影响较大，对高原子序数元素来说影响较小。
光电效应主要用于发生在原子内层电子上，因此，对于较低原子序数的元素，主要是由K壳层的电子参与反应。
从而可以根据X射线被吸收的能量计算得到物质的组成和表面的化学特性。
康普顿散射是指X射线与物质中自由或弱束缚电子发生相互作用，X射线散射角度和能量都发生变化。
这种相互作用方式不依赖于物质的原子序数和成分，而是依赖于X射线的能量。
康普顿散射主要用于测量物质的元素分布和化学成分，以及研究物质中自由电子的性质。
正负电子对产生是指X射线通过强电场作用产生的电子对，其中一个电子带负电荷，另一个带正电荷。
这种相互作用方式主要用于测量一些特殊材料的电磁性质和对电场的响应。
除了以上三种主要的相互作用方式，还有一些次要的相互作用方式，如产生荧光、俄歇电子发射和布拉格散射等。
产生荧光是指X射线与物质中的原子或分子发生相互作用，在被吸收能量之后，原子或分子重新发射出能量较低的光子。
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。
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用一·电离：电离辐射非电离辐射阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡（电离只能由高能粒子发生）粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子剥离内层电子即激发过程（电离过程）2·退激发态：由高能态-低能态直接电离与间接电离直接电离：间接电离：强电离弱电离中等电离二·放射源接收器（检测器）射程计算：电子对/距离- 电离强度（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）质量小- 作用于电子（核外电子）上作用于物质时引起直接电离致辐射：用轰击重金属核（三）·伽马X射线光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称为俄歇电子康普顿散射：0.2-5.0 电子伏特部分能量被吸收剩余的继续作用高能光子散射角度较小低能光子散射角度较大即受光子能量影响电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相同）但能量来源于之前的光子光子与物质之间的作用>30种原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）（四）·中子中子一般来源于核反应快中子能量高速度快弹性散射：小核非弹性散射：大核中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线（大原子如铱192）热中子：由快中子蜕变快电子重带电粒子快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线X射线光电反应-----光子被吸收康普顿散射----光子被散射弹性散射------产生两个光子中子非弹性散射------ 光子中子俘获-------其他辐射单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1辐射的生物学效应1·能量吸收------皮肤出现红斑2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换即基因突变）。
第2章 射线与物质相互作用
α粒子刚进入介质中时， 速度快，与介质原子的作 用时间短，比电离小；在 射程末端前， α粒子速度 慢，作用时间长，有极大 值；此后，能量耗尽，比 电离快速衰减到0。
入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。
α粒子在空气中的比电离约6600离子对/mm，产生此峰值α 的粒子能量约700keV。
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。
四、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—α粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性 变化，即产生新核并放出1个或几个粒子。记为A（α,b）B。
几个利用α射线完成的著名的核反应：
• 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：
这些相互作用是入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、 原子核发生的库仑相互作用。
这些相互作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损 失，结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电 粒子在相互作用过程中逐渐慢化。
当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原 子核发生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。
• 例：210Po，放射源，E=5.3MeV，计算其在空气中和铝 （A=27 ， =2.7g/cm3 ）中的射程。
射线粒子在物质中的相互作用机制
射线粒子在物质中的相互作用机制射线粒子是指由高能宇宙射线或人造加速器产生的高能粒子。
它们在穿越物质时会与原子核或电子相互作用，这些相互作用具有很多重要的物理、生物和医学应用。
为了更好地理解射线粒子在物质中的相互作用机制，本文将从三个方面进行探讨：电离作用、散射作用和发光作用。
一、电离作用电离作用是指射线粒子在物质中与原子或分子相互作用，从而使其失去或增加电荷的过程。
当射线粒子穿过物质时，它们与原子核或电子发生强烈碰撞，使原子核或电子被激发或离开原子轨道。
经典的电离现象是爆发，类似于将一个电子从原子中打出。
当射线粒子的能量超过一定的阈值时，它们可以通过电离来产生正负电子对，这些电子对可以在物质中形成电离截面。
电离的数量随着粒子能量的增加而增加，因为高能量粒子能够穿透更厚的物质，并与更多的原子和分子相互作用。
二、散射作用散射作用是指射线粒子与物质中的原子核或电子碰撞后改变运动方向的过程。
通常，这种散射作用可以分为弹性散射和非弹性散射。
在弹性散射过程中，射线粒子与物质中的原子核或电子碰撞后会偏离原始运动方向，但其能量大小和方向不变。
而在非弹性散射过程中，射线粒子与物质中的原子核或电子发生碰撞后，其能量和运动方向都会发生改变。
散射现象可以用于分析物质的组成和结构。
例如，在材料检验中，使用散射技术来分析材料的晶体结构和纯度。
此外，散射现象还被广泛应用于医学和生物学领域中的成像和诊断技术。
三、发光作用射线粒子的发光作用是指射线粒子穿过一定的物质后，物质可以发出光的现象。
当射线粒子经过物质时，它们会与物质中的原子或分子相互作用，使得原子或分子处于激发态。
随着原子或分子的退激发，它们会以特定的波长发出光。
这种发光现象可以用于分析物质的化学成分和组成，例如发光光谱分析和化学荧光成像。
总结本文介绍了射线粒子在物质中的相互作用机制。
电离作用是指射线粒子与原子或分子相互作用，并使其失去或增加电荷的过程。
散射作用是指射线粒子与物质中的原子或电子碰撞后改变其运动方向的过程。
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
射线粒子在物质中的相互作用机制
射线粒子在物质中的相互作用机制1.散射：射线粒子在物质中与原子核或电子的相互作用会发生散射。
这种散射过程可以理解为射线粒子与物质中的散射中心相互作用，使其改变原来的运动方向。
散射过程中，射线粒子的能量和动量可能会改变，但总的能量和动量守恒。
2.电离和激发：射线粒子在物质中与原子发生碰撞时，可以将电子从原子的束缚态转移到自由态，这个过程称为电离。
射线粒子的能量转移到电离产物上，使其解离成离子对。
此外，射线粒子还可能激发原子，使其电子跃迁到高能级轨道上，从而产生激发态原子。
3.俘获：射线粒子在物质中与原子核相互作用时，可能被原子核俘获。
这种过程称为俘获。
射线粒子被俘获后，其能量会转移到原子核上，产生新的核反应。
这个过程在核物理学和核工程中有重要的应用。
以上是射线粒子在物质中的相互作用机制的主要内容，下面将具体介绍不同射线粒子在物质中的相互作用。
1.α粒子：α粒子由两个质子和两个中子组成，具有较大的质量和带电量。
在物质中，α粒子与原子核的作用力较强，容易发生散射和电离。
由于α粒子的质量大，其穿透能力较弱，很快就会被物质吸收。
2.β粒子：β粒子分为β-电子和β+正电子两种。
β-电子带负电，与物质中电子相互作用较强，容易发生散射和电离。
β+正电子与物质中的电子发生湮灭反应，产生γ射线。
β粒子的穿透能力较强，需要较厚的物质来吸收。
3.γ射线：γ射线是电磁辐射，不带电荷，穿透能力很强。
在物质中与电子相互作用较弱，主要通过与原子核相互作用来衰减。
γ射线通常会经历光电效应、康普顿散射和正负电子对产生消失三种主要相互作用。
4.中子：中子是中性粒子，散射和俘获是其在物质中的主要相互作用。
中子与原子核发生弹性散射，其能量和动量会发生变化。
中子还可以被原子核俘获，这种俘获过程会产生新的核反应。
此外，中子还可能通过与物质中的氢原子相互作用，发生中子弹性散射和单独散射。
总之，射线粒子在物质中的相互作用机制涉及散射、电离和激发以及俘获等不同过程。
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
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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
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。
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
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。
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
Company Logo
❖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。
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。
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
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。
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。
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
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。
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
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
➢ 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
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 Biblioteka 外电子电磁辐射 （ γ射线）
❖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
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