粒子与物质相互作用
带电粒子与物质相互作用
带电粒子穿过靶物质时，与路径上靶物质的原子核及核外电子发生相互作用，随着入射粒子种类和能量的不同，各种相互作用的强度和特征也不相同，最终决定了入射带电粒子在靶物质中的能量损失与射程分布等。
带电粒子与物质相互作用的特征带电粒子在物质中的慢化过程具有一定能量的带电粒子（如质子，α粒子，电子等）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。
快速带电粒子与靶物质中电子的库伦相互作用在慢化过程中起主要作用。
对重带电粒子来说，由于电子的质量非常小，在和电子的每次碰撞中，转移给电子的能量只占其本身能量的很少一部分。
重带电粒子在每次碰撞后的运动状态可以认为没有改变。
所以重带电粒子穿过靶物质时，要与靶物质中的电子连续地发生许多次这样的小能量转移碰撞，才逐渐损失掉它的能量。
重带电粒子经过多次碰撞而不断损失能量，当速度减少到一定程度时，就会与靶物质发生电荷交换效应。
原来高速运动的重带电粒子的外层电子是全部剥离的，随着速度的降低而会俘获靶物质中的电子，从而使自身所带的有效正电荷数逐渐减少。
如果靶物质足够厚，则经过许多次碰撞后，重入射带电粒子的能量会全部耗尽，并俘获电子成为中性原子，停止在靶物质中。
重带电粒子被阻止在靶物质中所需的时间与它的能量及靶物质的性质有关。
对能量在MeV量级的α粒子和质子，整个慢化过程在气体物质中约为9-10秒。
10秒，在固体物质中约为21-高速重带电粒子（如α粒子）与靶原子核的库伦碰撞造成的能量损失，和与靶原子的电子的碰撞造成的能量损失相比可以忽略不计，只有在重带电粒子速度非常低时才显得重要。
但对于快速电子，它与靶原子核的碰撞对能量损失和角度偏移则有较大的影响。
入射电子与靶物质中电子的单次碰撞也可能损失较多的能量。
总之，慢化过程中带电粒子在靶物质中的能量损失和角度偏转，完全是入射带电粒子与靶物质中的电子和原子核发生各种相互作用的结果，主要有下列四种碰撞过程：①带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞；②带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞；③带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞；④带电粒子与靶原子的核外电子发生弹性碰撞；在所讨论的能量范围内，入射粒子与原子核发生核反应的概率非常小，可以不予考虑。
带电粒子与物质相互作用的几个主要过程
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粒子与物质相互作用-第四章_2_2011
1/ 3
（4－4－17） （4－4－18）
（4－4－19）
1 N 1 7 Z 1
2
14
第四章
所以，
电子阻止截面
q (k ) 2 ne (k ) Z1 1 (k ) 2
运用介质12
k 2q ln k (1 q)
2
1 1 (1 q) 2 2 1 ( k ) 1 ( k )
1 ( k ) 2 (1 q ) ln 1 ( k ) 2
（4－4－26） 其中L为阻止函数，
k L ln k
17
第四章
电子阻止截面
在低速近似下，可得到：
2k 2 F q C (1 q ) ln 1 av 0 0 其中C为常数，C～0.5。
比较准确的有：
2
（4－4－27）
（4－4－20）
对于裸核，N＝0，q＝1， 则
ne (k ) Z1
运动离子的分数有效电荷γ定义为：
（4－4－21）
1/ 2
Sq Z Z1 S q 1
* 1
（4－4－22）
其中Sq=1是裸核的电子阻止。
15
第四章
2 2 2 P Z1 e
电子阻止截面
s
Z Z1 Z
* 1
__
1/ 3 1
v1 v0
（4－4－8）
这里，Z1*为离子的有效电荷，v0为Bohr速度。
v1 Z 1* v Z1 0
粒子与物质的相互作用
粒子与物质的相互作用一、引言粒子与物质的相互作用是物质世界中一种基本的物理现象。
无论是宏观的物体还是微观的粒子，它们都受到相互作用的影响。
本文将从不同角度介绍粒子与物质的相互作用。
二、电磁力的作用电磁力是粒子与物质之间最常见的相互作用方式之一。
当粒子携带电荷时，它们与周围的电场相互作用。
根据库伦定律，电荷之间的相互作用力与它们之间的距离成反比，与电荷的大小成正比。
这就解释了为什么带电粒子在电场中会受到电力的作用。
磁场也是粒子与物质相互作用的重要因素。
带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，这个力的方向垂直于粒子的速度和磁场的方向。
这种相互作用在电磁感应、电磁波传播等现象中都扮演着重要角色。
三、强力与弱力的作用除了电磁力，强力和弱力也是粒子与物质相互作用的重要力量。
强力是在原子核中起作用的力量，维持着核内的质子和中子的结合。
它是一种非常强大的力量，远超过电磁力的范围。
弱力则是一种相对较弱的力量，主要作用于一些放射性衰变过程中。
这两种力量的相互作用机制十分复杂，需要通过精确的数学描述才能完整解释。
四、引力的作用引力是质量之间的相互作用力。
根据普遍引力定律，两个物体之间的引力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种力量是所有物体都具备的，无论是微观粒子还是宏观物体。
引力决定了物体之间的相互吸引作用，使得星球绕太阳公转、月球围绕地球运动等现象得以产生。
五、弹性力和摩擦力的作用除了上述力量外，弹性力和摩擦力也是粒子与物质相互作用的重要力量。
弹性力是物体在受到外力作用后产生的恢复力，使物体恢复到原始形状或位置。
摩擦力则是两个物体接触时产生的相互阻碍运动的力。
这两种力量在日常生活中随处可见，如弹簧的拉伸和压缩、车辆行驶中的摩擦等。
六、总结粒子与物质的相互作用是物质世界中的基本现象，涉及到电磁力、强力、弱力、引力、弹性力和摩擦力等多种力量。
这些力量共同作用，决定了物质的性质、物体的运动以及各种自然现象的发生。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用引言：带电粒子是指具有电荷的微观粒子，例如电子、质子等。
在物质中，带电粒子与其他物质之间会发生相互作用。
这种相互作用是物质世界中一种重要的基本现象，对于我们理解和应用自然界具有重要意义。
本文将从带电粒子与物质的相互作用的基本原理、类型和应用等方面进行阐述。
一、基本原理带电粒子与物质的相互作用遵循电磁相互作用力。
根据库仑定律，带电粒子之间的相互作用力与它们之间的电荷量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种相互作用力可以是吸引力，也可以是排斥力，取决于带电粒子之间的电荷性质。
二、类型1. 静电作用：带电粒子与物质之间的相互作用可以表现为静电作用。
当带电粒子靠近物质时，它们之间会发生电荷的转移或者重排，导致电荷的分布发生变化，从而产生静电力。
这种作用在电荷不移动的情况下发生，例如静电吸附、静电排斥等。
2. 磁场作用：带电粒子的运动会产生磁场，而物质对磁场也会产生响应。
当带电粒子通过物质时，物质中的电荷会受到磁场力的作用，并产生相应的运动或变化。
这种作用可以用于磁共振成像、磁性材料的制备等。
3. 电流作用：带电粒子在物质中运动时，会与物质中的电荷发生相互作用。
当带电粒子通过物质时，会产生电流，而电流会产生磁场。
这种作用可以用于电子输运、电磁感应等。
4. 能量转移：带电粒子与物质之间的相互作用还可以导致能量的转移。
当带电粒子与物质发生碰撞或相互作用时，它们之间的能量会发生转移，从而改变物质的性质或状态。
例如带电粒子的辐射与物质的相互作用会导致能量的转移，产生辐射损失。
三、应用带电粒子与物质的相互作用在科学研究和技术应用中具有广泛的应用价值。
1. 粒子加速器：粒子加速器利用带电粒子与物质之间的相互作用，通过电场或磁场加速带电粒子的运动。
这种技术被广泛应用于高能物理实验、核物理研究等领域。
2. 材料表征：带电粒子与物质的相互作用可以用于材料的表征。
例如扫描电子显微镜（SEM）利用电子与物质的相互作用，观察和分析材料的表面形貌和成分。
高能粒子在物质中的相互作用研究
高能粒子在物质中的相互作用研究高能粒子在物质中的相互作用一直是物理学研究的重要领域之一。
通过对高能粒子与物质相互作用的研究，不仅可以揭示物质的基本特性，还可以为粒子加速器技术、核能技术等领域的应用提供基础理论支持。
本文将探讨高能粒子在物质中相互作用的一些主要过程和相关研究。
一、电离和激发过程高能粒子通过与物质中原子或分子相互作用，可以引起电离和激发。
电离过程是指高能粒子从原子或分子中夺取电子，使其带电。
激发过程是指高能粒子传递能量给原子或分子，使其电子跃迁到更高的能级。
在电离过程中，高能粒子与原子或分子碰撞，使得原子或分子的电子被夺取，形成正离子和自由电子。
电离过程对于粒子探测、医学影像技术等应用具有重要意义。
激发过程是高能粒子与原子或分子之间能量交换的过程，也称为能量损失过程。
在能量损失过程中，高能粒子传递能量给原子或分子的电子，使其跃迁到激发态。
通过测量粒子的能量损失，可以了解物质的组成以及原子或分子的能级结构等。
二、散射和衰减过程高能粒子在物质中的相互作用过程还包括散射和衰减。
散射是指高能粒子与物质中的原子或核子相互作用后改变方向或动量的过程。
散射过程的研究可帮助我们揭示物质结构和相互作用力的性质。
高能粒子在物质中的衰减过程是指高能粒子通过与原子核相互作用，使得其能量逐渐减小的过程。
衰减过程的研究对于粒子束技术、射线治疗等领域具有重要意义。
三、产生次级粒子高能粒子在物质中的相互作用还会产生次级粒子。
当高能粒子与物质中的原子核或电子相互作用时，会发生电磁相互作用和强相互作用，从而产生次级粒子。
电磁相互作用主要包括电子对撞和电子辐射。
电子对撞是指高能粒子与物质中的电子发生碰撞，产生电磁辐射。
电子辐射是指高能粒子在物质中沿着轨迹发射出电磁辐射。
强相互作用主要包括核反应、中子产生和双强子产生等过程。
核反应是指高能粒子与原子核相互作用，导致核的转变或放出中子。
中子产生是指高能粒子与原子核相互作用，导致从原子核中释放出中子。
重带电粒子与物质相互作用
其中： R1和R2为射程 M1和M2为静止质量 Z1和 Z2为电荷
如果第二个粒子为质子（M2=1且Z2=1），这样另外粒子的射程R由下式给 出：
其中Rp(β)为质子射程。 图5.7表示了质子，α粒子和电子在水，肌肉，骨头和铅中的gcm-2射程。 对于给定能量的质子，在Pb中的gcm-2射程比水中大，这与Pb的小质量阻止 本领一致。
阻止本领和距离：Bragg峰
• 在低能处，当β→0时，括号前面的因子增加，导致产生一个峰（称为Bragg峰）。 • 当粒子能量接近0时，线性能量损失率最大。
α粒子在路径上的能量损失率
• • •
图画中低能处的能量损失的峰是一个例子。图中还画出了α的-dE/dx与在材料 中距离的关系。 对绝大多数α粒子径迹， α粒子具有2个电子电荷，能量损失率随1/E增加，这 点可由阻止本领方程预测。 在径迹末尾，通过电子拾取减少电荷，曲线下降。
阻止本领可以由能量损失谱来估算。 • 宏观截面μ表示单位路径上电子发生碰撞的概率。 • μ的倒数表示在两次碰撞间带电粒子走过的平均距离或平均自由程。 • 阻止本领是宏观截面与每次碰撞损失的平均能量的积。
例如： 1MeV的质子在水中的宏观截面为410μm-1，每次碰撞的平均能量损失为 72eV。阻止本领和平均自由程为多少？ 阻止本领，
单次碰撞能量损失谱
• • • • • Y轴代表计算得到的给定碰撞中能量损失为Q的概率。 以上计算得到的1MeV 质子最大能量损失，21.8keV 的 N.B.超出坐标范围。 最可能的能量损失在20eV量级。 N.B., 快带电粒子的能量损失谱很可能在10-70eV区间 慢带电粒子的能量损失谱不同，最可能的能量损失接近Qmax。
对于化合物或混合物，必须考虑每个单个成分的贡献。 在这种情况下，可以由不同成分的电子密度权重得到lnI值。 以下是对于水的例子（对组织也可能足够）。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用在物理学中，带电粒子与物质之间的相互作用是一个重要的研究领域。
带电粒子指的是带有电荷的基本粒子，如电子、质子等，而物质则包括了构成我们周围世界的一切物质实体。
这两者之间的相互作用机制不仅对于理解物质的性质和行为具有重要意义，也为各种应用提供了基础。
一、静电作用最基本的带电粒子与物质的相互作用是静电作用。
当两个物体中的带电粒子之间存在电荷差异时，它们会产生静电力的相互作用。
根据库仑定律，两个电荷之间的静电力与电荷的大小成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种相互作用可以导致物体的吸附、斥力、电荷传递等现象。
静电作用在日常生活中也经常出现，比如我们身体摩擦后产生的静电电荷可以使身体与物体发生吸引或者排斥的现象。
在工业中，静电作用也是一种重要的物料处理技术，例如静电吸附、静电喷涂等。
二、电磁作用电磁作用是带电粒子与物质之间更加复杂的相互作用方式。
它包括两个方面，一方面是带电粒子在物质中受到的电场力的作用，另一方面是带电粒子的运动状态对物质电磁性质的影响。
对于带电粒子在电场中的相互作用，根据库仑定律和电场叠加原理，可以得到带电粒子在电场中所受到的电场力大小和方向。
这种相互作用广泛应用于电子学和电路中，例如电荷在电场中的偏转、电势差引起的电子流等。
带电粒子对物质电磁性质的影响则涉及到材料的导电性、磁性等方面。
带电粒子的运动会在物质中引起电流，进而改变物质的导电性质。
而当带电粒子的运动速度接近光速时，还会产生磁场效应，即洛伦兹力。
这些现象在电磁学、材料科学等研究中有着广泛的应用。
三、辐射作用带电粒子与物质相互作用的另一种重要方式是辐射作用。
当带电粒子在物质中运动时，会释放出能量并产生辐射，例如电子在物质中的电离和俄歇效应。
辐射作用在核物理、粒子物理等领域中具有重要意义。
例如，在医学上，正电子发射断层成像（PET）技术利用正电子与物质相互作用产生的辐射进行人体成像；在核反应中，粒子与原子核的相互作用可以产生高能粒子和辐射。
带电粒子与物质的相互作用
与重带电粒子相比，快电子的射程的概念不太明
确，因为电子的总路程的长度比沿初始速度方向穿 透的距离大得多。通常，电子的射程是从图中那样 的曲线将末端直线部分外推到零求得的，它表示几 乎没有电子能穿透的吸收体厚度。
为了描述快电子由于电离和激发引起的比能损失 （“碰撞损失”），Bethe也推出类似重带电粒子比能损 失的公式。
式中符号意义与前式相同。
电子与重带电粒子也不同，除经过库伦相互作用以外，还能 经过辐射过程损失能量。这些辐射损失的形式是轫致辐射， 及电磁波，它可以从电子径迹的任何位置发出。根据经典理 论，电子被加速时必然发射能量，而电子与吸收体相互作用 而偏转时相当于这种加速，经过这样辐射过程的线性比能损 失为
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子主要分为两种，一是重带电粒子（特征穿 透距离≈10-3m），二是快电子（特征穿透距离≈108m）。带电粒子与电荷借助库仑力不断地与所经过的 介质中的电子或原子核相互作用，从而损失能量，当介 质厚度足够时，最后沉积再介质中。
重带电粒子与物质的相互作用
重带电粒子（如α粒子）与物质的相互 作用主要是通过它们的正电荷与吸收体原 子中轨道电子的负电荷之间的库仑力。虽 然重带电粒子也可能与和核发生相互作用 （如卢瑟福散射或α粒子引起的核反应）， 但是这种相互作用很少发生，因而它们大 多数情况下并不重要，可以忽略掉。
粒子的相对论速度 。
c
为粒子的洛仑兹因子。 I 为介质原子 的平均激发能， Tmax 为一次碰撞中可能传递给一个 自由电子的最大动能。
带电粒子的比能损失沿其径迹的变化曲线（如图所示）称为 Bragg曲线。这个例子是对初始能量为几MeV的α粒子的。在径 迹的绝大部分，α的电荷是两个电子的电荷，比能损失粗略的随 1/E增加，如同Bathe公式预计的一样，接近径迹末端时，α粒子 的电荷由于拾取电子而减少，Bragg曲线现将下降。
粒子与物质相互作用
dx ? ? ?ds
? 为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。 这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质的具体性 质ห้องสมุดไป่ตู้关。
2020/4/2
粒子探测
8
? 电离损失的分布
在厚度为?x 的介质中，入射粒子
的平均电离损失为
? ??
dE dx
????
x
当介质厚度较厚时，电离损失分布
接近高斯分布；当介质很薄时，
服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就
是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳
层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，
同时放出特征X射线或俄歇电子。
? 当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由
电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激
发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到
对相对论粒子，Ekin? E，pc ? E
E max kin
?
E2 E ? m02c2 / 2me
?
?m0
?
p2 m02
/ 2me
对? 轻子，Ekminax
?
E2 E ? 11
对电子， Tmax
?
me
p2 ? E / c2
?
E ? mec2
2020/4/2
粒子探测
4
2. 带电粒子能量的电离损失
? 电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致 原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。
? δ电子产生的概率很小，其能谱表达式
dN ? ? ? F
dT
T2
要求 I ?? T ?? Tmax ，ξ 定义同前。
不带电粒子与物质的相互作用
不带电粒子与物质的相互作用1. 引言不带电粒子与物质的相互作用是物理学中的一个重要研究领域。
在自然界中，不带电粒子与物质之间的相互作用可以涉及多个方面，包括粒子的散射、吸收、发射等过程。
这些相互作用对于理解物质的性质以及在各个科学领域中的应用具有重要意义。
本文将详细介绍不带电粒子与物质的相互作用的基本原理、相关实验和应用。
2. 不带电粒子的特性不带电粒子是指不带有电荷的微观粒子，包括中子、中微子等。
与带电粒子相比，不带电粒子在与物质的相互作用中具有一些特殊的性质。
中子是一种不带电的粒子，其质量与质子相当。
中子与物质的相互作用主要通过强相互作用和弱相互作用实现。
中子在物质中的散射过程中，会与物质中的原子核相互作用，产生核反应或者被散射出去。
中子的吸收过程与物质中的原子核的能级结构有关，吸收中子的原子核会发生衰变或者激发。
中微子是一种不带电、质量极小的粒子，与物质的相互作用非常微弱。
中微子的散射过程主要通过弱相互作用实现。
中微子在物质中的散射过程中，会与物质中的原子核或者电子相互作用，产生弱相互作用的过程，如中子衰变。
3. 不带电粒子与物质的相互作用机制不带电粒子与物质的相互作用主要通过以下几种机制实现：3.1 散射散射是不带电粒子与物质相互作用中最常见的过程之一。
散射过程中，不带电粒子与物质中的原子核或者电子发生碰撞，改变其运动方向和能量。
散射过程可以通过散射截面来描述，散射截面与入射粒子的能量、散射角度等因素有关。
3.2 吸收吸收是不带电粒子与物质相互作用中的另一种重要过程。
吸收过程中，不带电粒子被物质中的原子核或者电子吸收，从而改变其能量状态。
吸收过程可以通过吸收截面来描述，吸收截面与入射粒子的能量、吸收介质的性质等因素有关。
3.3 发射发射是不带电粒子与物质相互作用中的一种特殊过程。
在物质中，不带电粒子可以通过与物质中的原子核或者电子相互作用，从而转换为其他粒子，并以辐射的形式发射出来。
发射过程可以通过发射截面来描述，发射截面与入射粒子的能量、物质的性质等因素有关。
带电粒子与物质相互作用可产生
带电粒子与物质相互作用可产生1. 引言嘿，你有没有想过那些看似平常的电荷和物质碰撞后会发生什么有趣的事情？其实，这背后可大有文章。
带电粒子就像一颗颗小小的炸弹，它们碰撞到物质时，可不是简单的“嗨”一下那么简单。
来，我们一块儿探探这其中的奥秘，看看这些电荷们能在物质里搞出什么大动静！2. 电荷与物质的奇妙碰撞2.1. 光的产生首先，带电粒子碰到物质时，最常见的就是产生光了。
你看，荧光灯、电视机、甚至一些闪闪发光的玩意儿，都是依靠这种原理的。
带电粒子（比如电子）飞速撞击物质内部的原子，这些原子就像被打了一针兴奋剂一样，变得很激动。
当这些原子从高能状态回到低能状态时，它们就会释放出光，照亮你的世界。
是不是感觉像是电子们在物质中举行了一场灯光秀？2.2. 电离效应接着，带电粒子还会让物质发生电离。
电离就是把原本平静的原子搞得一团乱。
带电粒子碰到原子时，有可能把它们的电子给打飞了，留下带正电的原子核和一个自由的电子。
这种现象在日常生活中有很多应用，比如X光检查，医学上用得特别广。
电离就像是带电粒子给物质带来了小型的炸弹爆炸，瞬间改变了原本的状态。
3. 电荷与物质的互动效果3.1. 激发与辐射除了光和电离，带电粒子还会引发激发效应。
当带电粒子撞到物质时，它们能把物质中的原子或分子推到激发状态，就像是给它们加了“鸡血”，让它们兴奋起来。
这时候，物质就会在某些特定的条件下释放出特定的辐射，比如紫外线、X射线等。
这种辐射可以用来研究物质的内部结构，了解它们的秘密。
3.2. 粒子散射最后，带电粒子还可能引起粒子散射。
想象一下你扔石子进水里，水面就会产生涟漪。
带电粒子也差不多，它们在碰到物质时，会把物质中的其他粒子“撞”得东倒西歪。
这种散射现象被用来分析物质的性质，比如研究物质的结构、密度等信息。
科学家们就像在用带电粒子玩一个复杂的“弹珠游戏”，在不断地揭示物质的奥秘。
4. 结论综上所述，带电粒子和物质的互动不仅仅是“碰一碰”那么简单，而是会引发一系列精彩的反应。
关于b粒子与物质的相互作用
关于b粒子与物质的相互作用B粒子（波色子）与物质之间的相互作用是粒子物理学中一个重要的研究课题。
B粒子是一种玻色子，属于弱相互作用的载体粒子。
在本篇文章中，我将详细介绍B粒子与物质之间的相互作用的特点、性质、实验观测以及相关的理论模型。
首先，我们先来了解一下B粒子的基本特点。
B粒子是一种带电荷的玻色子，属于弱相互作用的载体粒子。
弱相互作用是自然界中三种基本相互作用之一，与电磁相互作用和强相互作用共同决定了物质的性质。
B粒子的质量约为5.3GeV/c²，寿命很短，大约为1.5×10^-12秒。
B粒子与物质之间的相互作用主要包括两种：弱相互作用和电弱相互作用。
弱相互作用是一种介入强子和轻子之间的相互作用，它负责一部分粒子的衰变，例如β衰变。
电弱相互作用是电磁相互作用和弱相互作用的统一理论，由萨拉姆、格劳德曼和魏恩伯格提出，他们因此获得了1994年的诺贝尔物理学奖。
实验观测是研究B粒子与物质相互作用的重要手段。
在高能物理实验中，科学家利用加速器产生大量的B粒子，并使用粒子探测器对其进行研究。
通过分析B粒子的衰变产物以及附加的特征，我们可以揭示B粒子与物质之间的相互作用规律。
在实验观测中，科学家发现B粒子具有很多有趣的性质。
首先，B粒子在弱相互作用下可以发生衰变，从而产生不同种类的衰变产物。
这些衰变过程包括B粒子衰变为轻子对（如B⁺→μ⁺+ν_μ）和介子（如B⁰→π⁺+π⁻），以及B粒子反衰变为强子与轻子对（如B⁺→D⁰+μ⁺+ν_μ）。
这些衰变过程的研究对于验证理论模型、探索物质性质具有重要意义。
此外，研究B粒子的寿命和振荡现象也是实验物理学中的重要课题。
根据粒子的寿命和振荡特征，我们可以精确测量弱相互作用的耦合常数、典型距离尺度以及相关的物理参数。
这些测量结果对于验证理论预言、研究基本物理过程具有重要意义。
理论模型对于解释和预言B粒子与物质相互作用也起到了重要的作用。
例如，标准模型是目前我们对粒子物理世界的最完整描述，它非常成功地描述了B粒子的衰变、产生、振荡等诸多性质。
粒子与物质相互作用-第一章_2011
32
第一章 引言
Proton Irradiation Facility at U of Michigan
33
第一章 引言
34
第一章 引言
35
MeV He irrad.
第一章 引言
High dpa irrad.
2*6 MV Tandem
H/He/HI co-irrad. Chamber
4.5 MV Van de Graaff
Jiali Li, et al. / Nature,2001,Vol. 412(12)
Z. Siwy, et al. Phys. Rev. Lett, 2002 Mara A, et al. Nano Lett, 2004
A. J. STORM, et al./Nature Materials,221003, Vol. 2
第一章 引言
nature materials | VOL 2 | AUGUST
2003 |
22
第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 12, 2718(2006)
24
第一章 引言
Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 17, 2003
25
第一章 引言
在向物质世界更深层次进军的同时，核物理学家同其它领域的 科学家们结合起来，利用核物理的知识及加速器这一工具，向原子分 子物理、固体物理以及材料、能源、化学、生物学和医学等方面渗透 与发展。这不仅大大促进了这些学科的发展和进化，也形成了一些生 命力很强的交叉学科。
3
第一章 引言
例如：
材料科学：半导体注入及光刻、载能束（离子束、电子束、X射线/同步辐射、 中子源）材料分析、金属（陶瓷、高聚物等）材料改性、核材料辐照损伤、纳 米材料及结构制备。 航天：单离子翻转、位移电流、电荷积累。 化学：离子/电子/光子束高分子接枝、电子/光子束辐照（固化、消毒）等。 环境：电子束辐照脱硫脱硝等。环境样品检测（AMS、PIXE）。 农业：载能束诱变育种等。 医学：诊断与检测；常规放疗及质子、重离子治癌等。微量元素分析。 地学：测年（AMS、裂变径迹）。 考古：测年（AMS）。 ……
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。
高能粒子与物质相互作用研究
高能粒子与物质相互作用研究科学的进步始终伴随着人类对于宇宙的探索。
在这个过程中，高能粒子与物质相互作用研究扮演着重要的角色。
高能粒子是指具有很高能量的微观粒子，包括宇宙射线、中子、质子等。
而物质相互作用则意味着高能粒子与物质之间的相互作用过程。
一、高能粒子的产生和加速高能粒子在宇宙中的产生与宇宙射线的存在密切相关。
宇宙射线是由太阳和其他星体产生的高能粒子流，其中包括来自恒星爆炸和宇宙射线源的粒子。
这些高能粒子瞄准地球并与地球大气层中的原子核发生碰撞。
为了进行高能粒子与物质相互作用的研究，科学家们需要对高能粒子进行加速。
目前，人类利用大型粒子加速器来产生高能粒子。
它们通过利用电场或磁场对粒子进行加速。
在高能粒子加速器中,粒子会通过电场和磁场进行加速和转向，从而达到所需的能量。
二、高能粒子与物质的碰撞与探测高能粒子与物质的相互作用是一种复杂的过程。
当高能粒子与物质中的原子核碰撞时，会产生一系列的相互作用，包括散射、电离、激发等。
这些相互作用会导致原子核的改变，从而影响物质的性质。
在研究高能粒子与物质相互作用时，科学家们利用探测器来记录和分析相互作用过程。
探测器可以分为运动性能探测器和能量测量探测器。
运动性能探测器可以测量粒子的位置和运动轨迹，而能量测量探测器则可以测量粒子的能量。
通过分析探测器的数据，科学家们可以研究高能粒子与物质之间的相互作用规律。
三、高能粒子与物质相互作用的应用高能粒子与物质相互作用的研究有着重要的应用价值。
首先，它有助于人类对宇宙的理解。
通过研究高能粒子与物质之间的相互作用，我们可以更好地了解宇宙的起源和演化过程。
同时，这种研究也为宇宙探索提供了指导和支持，帮助科学家们更好地设计和开展航天任务。
此外，高能粒子与物质相互作用的研究还在医学和能源领域发挥着重要作用。
在医学方面，高能粒子与物质相互作用的研究有助于人们对肿瘤治疗的理解。
高能粒子在肿瘤治疗中被广泛应用，因为它们可以精确地破坏肿瘤细胞而不伤害健康组织。
α粒子与物质的相互作用
α粒子与物质的相互作用α粒子是由两个质子和两个中子组成的带正电的粒子。
它在物质中传播的过程中与物质相互作用，产生一系列的效应。
在本文中，我将简要介绍α粒子与物质的相互作用，并详细解释这些相互作用的机制。
首先，α粒子与物质的相互作用主要是通过电磁相互作用和核力相互作用来实现的。
电磁相互作用是指α粒子与物质中的电子相互作用，而核力相互作用是指α粒子与物质中的原子核相互作用。
在电磁相互作用中，α粒子与物质中的电子发生库仑相互作用。
这种相互作用将导致α粒子的轨迹发生偏转，并在物质中散射。
这种散射现象称为康普顿散射。
康普顿散射通常发生在α粒子的能量较低时，例如在几百keV到几MeV的能量范围内。
在高能范围内，α粒子与电子发生电离作用，使电子脱离原子而形成电离对。
除了电磁相互作用，α粒子还与物质中的原子核发生核力相互作用。
在接近原子核时，α粒子与核子之间的核力相互作用作用会引起散射。
这种散射现象称为核散射。
核力是一种极强的相互作用力，因此α粒子在与原子核发生相互作用时，往往会改变方向并散射。
此外，α粒子还可能发生核反应。
核反应是指α粒子与原子核之间发生核变化的过程。
这种变化可以导致原子核的转变，产生新的粒子或放射出其他粒子。
核反应在核物理研究和核能利用中具有重要的应用。
例如，α粒子与氮核反应可以产生碳核和质子，这是碳-14测年法的基础原理。
另外，α粒子还可以与铀核发生聚变反应，用于核能发电。
总体而言，α粒子与物质的相互作用是多种多样的，包括康普顿散射和核散射，还有核反应。
这些相互作用是通过电磁相互作用和核力相互作用来实现的。
了解和研究α粒子与物质的相互作用机制对于理解核物理的基本原理以及开发核能技术都具有重要意义。
粒子与物质相互作用-第七章_2_2011
第七章一、级联碰撞荷能离子产生的损伤与溅射1、级联碰撞的概念 荷能离子的核碰撞（即弹性碰撞）会使靶原子发 生移位，即，使一部分能量传递给靶中的晶格使其进 入间隙位置，这就是初级原子移位（PKA）。
一个PKA 的出现实际上是产生了一个空位和一个间隙原子 (Frenkel pair)。
使晶格原子移位的最小能量称为移 位能或移位阈能(displacement energy)，用 Ed 表示 。
为了能够产生PKA, 所需中子能量> 1 keV, 电子能 量> 1 MeV, 离子能量> 100 eV。
1第七章荷能离子产生的损伤与溅射一般来讲，荷能离子与晶格原子碰撞会有两种 现象：一是传递给晶格原子的动能T＜Ed，则被撞击 的原子不离开晶格位置，而是以声子的形式在格点 周围振动（局域热源）；二是T＞Ed，则被撞击的原 子就可能越过势垒而离开晶格位置。
移位能的确切 计算是很复杂的，它不仅与固体的性质有关，而且 与晶格原子的反冲方向有关。
在离子束应用范围内 ，对一般靶材料，可选取Ed=20－35eV（依赖于晶体 方向）。
2第七章荷能离子产生的损伤与溅射3第七章荷能离子产生的损伤与溅射单元素金属的移位能与升华能正相关。
4第七章荷能离子产生的损伤与溅射如果移位原子的能量大于（或远大于）Ed，这 样的初级移位原子就可能象入射离子一样通过电子 激发或电离损失其能量，或者通过弹性碰撞使得其 它晶格原子移位，产生次级移位原子。
这样的过程 可以不断进行下去，直至碰撞传递的能量不足以使 得晶格原子移位。
这样一种级联碰撞移位过程就称 为级联碰撞或级联移位(collision cascade,或者 displacement cascade)，如下图。
5第七章荷能离子产生的损伤与溅射6第七章荷能离子产生的损伤与溅射TKA SKA线性级联碰撞PKA分形Energy per atom displacementsE 1E/2 2E/4 4E/2N 2N7第七章荷能离子产生的损伤与溅射2、移位原子数描述级联碰撞移位最重要的量是移位原子数。
微观粒子与宏观物质的相互作用
微观粒子与宏观物质的相互作用在我们周围的世界中，无论是天空中的飞鸟，还是地面上的花草树木，都离不开微观粒子与宏观物质的相互作用。
微观粒子指的是构成物质的最基本单位，如原子、分子等。
而宏观物质则是由大量微观粒子组成的。
微观粒子与宏观物质之间的相互作用决定着物质的性质和行为。
首先，我们来谈谈微观粒子对宏观物质性质的影响。
微观粒子的种类和排列方式直接决定了物质的化学和物理特性。
例如，金属的导电性能良好，是因为金属中存在大量自由电子，它们可以在外加电场的作用下自由移动。
而绝缘体则没有这种自由电子，而是由紧密排列的原子或分子组成，电流不易通过。
此外，微观粒子的运动方式和相互作用也影响着物质的热传导、光传播等性质。
因此，微观粒子对宏观物质的性质具有重要作用。
其次，宏观物质对微观粒子也产生着显著的影响。
宏观物质通过其形态和结构，对微观粒子的分布和行为施加着限制。
以晶体为例，晶体是由大量有序排列的微观粒子组成的，这种有序排列使得晶体在光学上呈现出特定的反射和透射特性。
此外，宏观物质对微观粒子的组合方式以及相互作用力的大小也会影响着物质的性质。
比如，将液体冷却至凝固点以下，微观粒子之间的相互引力越来越强，使得物质从液态转变为固态。
因此，宏观物质的存在给微观粒子的行为带来了很大的改变。
微观粒子与宏观物质的相互作用还体现为物质界面的特性。
当两种不同性质的物质接触时，它们之间会产生一系列的化学和物理现象，如界面张力、吸附现象等。
这种界面现象的存在使得微观粒子和宏观物质之间的相互作用更加显著。
例如，水与空气接触时会出现水分子蒸发和空气中氧气分子与水分子的相互作用。
这种界面现象在生物体内也十分重要，它使得细胞膜能够对外界物质起到选择性透过的作用。
总之，微观粒子与宏观物质之间的相互作用决定着物质的性质、形态和行为。
微观粒子通过其种类和排列方式影响着宏观物质的性质，而宏观物质则通过其形态和结构对微观粒子的分布和行为施加着限制。
肿瘤放射物理学-物理师资料-22 带电粒子与物质的相互作用
用 Scol 或
dE ( dl )col
表示
质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power）：线性 碰撞阻止本领除以靶物质的密度。
用
(
S
)col
或
1 dE
( dl )col 表示
电离损失与入射粒子的能量、电荷数及靶物质的每克电子数之间的关系
1、重带电粒子质量碰撞阻止本领表达式：
或
1 dE
( dl )rad
辐射损失与入射粒子及靶物质部分物理量之间的关系
关系式：
S
z2Z 2
( )rad m2 NE
带电粒子的能量
结论：
带电粒子静止质量
单位质量靶物 质中的原子数
（1）与入射带电粒子的质量m的平方成反比，重带电粒子的轫致
辐射引起的能量损失可以忽略；
（2）与Z2成正比，说明在重元素物质中的韧致辐射损失比轻元素
物质大；
（3）与粒子的能量成正比，这与电离损失的情况不同。
（三）带电粒子与原子核的弹性碰撞 当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒
子的运动方向和速度发生变化，但不辐射光子，也不激发原子核， 它满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。
当带电粒子能量较低时，才有明显的弹性碰撞。 重带电粒子由于质量比较大，与原子核发生弹性碰撞时运动方向 改变小，散射现象不明显，因此它在物质中的径迹比较直。 电子质量很小，与原子核发生弹性碰撞时，运动方向改变可以很 大，而且还会与轨道电子发生弹性碰撞，因此它在物质中的径迹很 曲折。
（二）带电粒子与原子核的非弹性碰撞 当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场作用下，运
动方向和速度发生变化，此时带电粒子的一部分动能就变成具连续 能谱的X射线辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。
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classical
2020/4/2
粒子探测
7
一个有用的常数
K
4
N Are2mec2
0.3071 MeV g cm2
粒子探测
13
小结
1）公式不包含入射粒子质量，即电离损失与入射粒子质量无关。 电荷和速度相同的粒子在同一种物质中电离损失相同。
2）电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。
3）电离损失与粒子速度有关，在 0.01 0.05 区间，目前尚无 令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。
4）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度相当 时，公式不再适用。当粒子运动速度 z 10 3 (为精细 结构常数)时，能损正比于。例慢速质子在硅中的能损为
为该物质对这种粒子的阻止本领，用
dd表Ex 示。
大 ddEx， 表明这种粒子在该物质中的电离本领大，即该
粒子通过单位长度物质损失的能量较多，即该物质
对这种粒子的阻止本领大。
2020/4/2
粒子探测
5
Bethe-Bloch formula
Energy transfer: I dE Tmax , I: mean excitation potential I~I0Z, I0=10eV
在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式
dE dx
Kz 2
Z A
1
2
ln
E max kin I
2
2
计算时，能损通常使用的单位是
MeV g / cm
2
相应dx单位为g/cm2，
代表面质量密度
dx ds
为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。 这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质的具体性 质无关。
随弱的电磁辐射。
轫致辐射能量损耗
平均能量损失
dE dx 轫致
4N A
Z (Z 1) A
z
2
1
4
0
e2 mc2
2 En
183 Z 1/ 3
电子的轫致辐射能损 E>>mec2/αZ1/3
2020/4/2
dE dx
轫致
4N A
Z (Z 1) A
re2 En
183 Z 1/3
粒子探测
19
辐射长度X0： 则 dE E
Rutherford散射公式
对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发生
多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，粒
子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效
果。 2020/4/2
粒子探测
16
多次库仑散射的分布可以由Molliere理论描述。理论证 明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏 转为Rutherford散射。
dE dx
61.2
GeV g cm2
5）对 z ，Bethe-Bloch公式均可适用。 在非相对论性速度
时，能损与速度平方成反比。
2020/4/2
粒子探测
14
6）随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当1， 电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值区域 最低点在~3－4附近，且与介质无关。大多数相对论性粒 子的能量损失与这个最低点的值很接近。称最小值处的能量 损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称为最小电离 粒子(Minimum Ionizing Particles或MIP)。
2 rms plane
19.2
cp
x X0
要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬 托、支架和屏蔽室的内层材料。
2020/4/2
粒子探测
18
三、 轫致辐射（Bremsstrahlung）
轫致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子
半径~10-8cm小，而又比核半径~10-13cm大时，在核库仑 场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并伴
是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳
层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，
同时放出特征X射线或俄歇电子。
当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由
电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激
发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到
基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发
的电子的 me / M 2 倍。
轫致辐射的能量损失与介质的原子系数Z2成正比
实际工作中为了减少电子的轫致辐射本底，选用Z小的物质，如塑料、
铝等材料做放射源的托片核支架。
轫致辐射的发射角
朝前方向
2 mec2
E
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粒子探测
21
临界能量两种定义
2020/4/2
粒子探测
22
几种常用介质的辐射长度和临界能量
介质
H2 Al Ar Fe Pb 铅玻璃SF3 Plexiglass H2O 碘化钠NaI(Tl) 锗酸铋BGO
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X0(g.cm-2)
63 24 20 13.8 6.4 9.6 40.5 36.1 9.5 8.0
粒子探测
Ec (MeV)
350 40 35 20.7 7.4 ~13 88 83 12.5 ~7
23
四、切伦科夫辐射Cherenkov radiation
切伦科夫辐射快速带电粒子穿过均匀透明的介质，
其速度大于光在该介质中的相速度v>c/n时就会产生
切伦科夫辐射。
产生机理：介质原子或分子的极化与退极化；
电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。
产生条件：
（1）快速带电粒子做匀速运动，且 v c
根据粒子的带电性质分类 • 带电粒子：、p、e±、±、±、±等 • 电磁辐射：x射线、射线 • 中性粒子：n、0、0、等
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粒子探测
2
一、带电粒子电离和激发损失能量
1. 电离和激发
入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失
能量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克
服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就
实际能损
最概然能损
L
1 2
exp
1 2
e
与最概然能损之间的偏差
E p
p
ln
2mec2 2
I
2
ln
I
j
2
j=0.2，ξ=(K/2)z2(Z/A)(x/β2)MeV，x单位g/cm2
能损分布中对应最大概率处的能损
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薄层吸收体中能量损失的分布
粒子探测
10
电子
/
2me
对轻子，Ekminax
E2 E 11
对电子， Tmax
me
p2 E / c2
E mec2
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粒子探测
4
2. 带电粒子能量的电离损失
电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致 原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。
电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损
失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称
射出来。
2020/4/2
粒子探测
3
➢激发过程： q atom atom q
atom 退激发原子放出低能荧光光子
➢电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量 p mv m0c 洛仑兹因子 E / m0c2
一次散射传递给静止电子的最大动能
Tmax
1
2mec2 2me / m0
2 2 (me
dx X 0
X0
4N AZ (Z
A 1)re2n(183
/
Z 1/ 3 )
[g
/
cm2 ]
716 .4A X 0 Z (Z 1)n(287 /
[g / cm2 ] Z)
经验公式
初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)的介质后的平均
能量为:
x
E E0e X0
当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量 减低到初始能量的1/e，称X0为介质的辐射长度。
当介质为化合物或混合物时，有： 1 wi
X0 i Xi
Xi第i种成分的辐射长度，wi第i种成分的权重因子，重量 百分比。
2020/4/2
粒子探测
20
临界能量Ec：电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。
Rossi定义：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而
损失的能量。 对固体介质
第二章 粒子探测的物理基础
§2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用 §2-4 高能粒子和物质作用与簇射
2020/4/2
粒子探测
1
§2-1 带电粒子和物质的相互作用
粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互 作用才能被探测。粒子探测主要是指 记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、 动量、飞行方向等）。
2020/4/2
粒子探测
8
电离损失的分布
在厚度为x的介质中，入射粒子
的平均电离损失为
dE dx
x
当介质厚度较厚时，电离损失分布
接近高斯分布；当介质很薄时，
由于相互作用的次数少，能量损
失的统计涨落很大，电离损失分
布很不对称，在能量大的区域有
很长的尾巴——朗道分布。
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