射线与物质的相互作用全解

图中，b部分代表非相对论状况，c部分代表相对论状况 。a部分是入射粒子能量很低时的情况。
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第三节 快电子与物质的相互作用
快速电子：e ， 。
特点： 1、运动速度大； 2、电离损失，辐射损失； 3、碰撞中能量转移大，方向改变大(散射严重)。 一．能量损失率 二．吸收与射程 三．正电子与物质的相互作用
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三．带电粒子在物质中的慢化
(2) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。
入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。
辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。
(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。
叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。
根据量子理论，并考虑了相对论修正。推 导出来的重带电粒子电离能量损失率的精确表 达式称为Bathe-Block公式：
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一、电离损失率
Bathe-Block公式：
4z 2e 4 dE NB 2 m0v dx ion
2m0v 2 C 2 2 B Z ln ln(1 ) I Z
式中：z 为入射带电粒子电荷数； Z 为靶物质原子的原子序数； N 为靶物质单位体积中的原子数； v 为入射带电粒子速度； I 为靶物质平均等效电离电位； m0 为电子静止质量； β=v/c 为重粒子速度与真空中光速之比。
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一、电离损失率
Bathe公式的几点讨论： 1、S与入射粒子质量无关，只与电荷z及速度v有关。
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一、电离损失率
3、S与靶物质的电子密度NZ成正比， S NZ Z
吸收材料原子序数高、材料密度大的材料其 阻止本领大。 4、S与v2的关系
v2较小，S 1/v2 ； v2较大，相对论效应，对数项增大，S上升 ； v2很小，电荷交换效应，俘获； v2极小，核阻止作用。
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一、电离损失率
概述
二．弹性碰撞和非弹性碰撞
三．带电粒子在物质中的慢化
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一、致电离辐射的种类
带电粒子辐射 非带电粒子辐射
快电子：e ， ；
重带电粒子－ , P, d , T
电磁辐射：γ、Χ射线；
中子 n；
致电离辐射：能量大于~10eV量级的射线。
我们以后提到的“辐射”或“射线”，均指“致电离辐射 ”。




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快速电子在物质中穿透本领比重带电粒子大得多。
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一、快电子的能量损失率
快速电子损失能量的方式：电离损失，辐射损失。 辐射损失的方式是发出韧致辐射。 带电粒子穿过物质时受到物质原子核的库仑作用，速度大 小和运动方向都发生变化，这时伴随发射电磁波。称之为轫 致辐射。
有：电离损失率，辐射损失率。 对于重带电粒子，
dE S Sion dx ion
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一、电离损失率
假设：
（1）物质原子的电子可以看成是自由的(入射 粒子的动能大于大于电子的结合能)。
（2）物质原子的电子可看成是“静止”的。
（3）由于碰撞中入射粒子传给电子的能量比 自身能量小得多，可认为在碰撞后入射带电粒 子仍按原方向运动。
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一、快电子的能量损失率
对于快速电子，考虑相对论效应时的电离损失率：
2e 4 NZ dE B 2 m0v dx ion
m0v 2 E 2 2 B ln 2 ln 2 2 1 1 2 2 I (1 ) 1 2 1 1 1 2 8
射线与物质的相互作用
堪培拉北京代表处
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射线与物质的相互作用
具有一定动能的射线会与物质发生相互作用，叫做致电
离辐射。
第一节 第二节
概述 重带电粒子与物质的相互作用
第三节
第四节 第五节
快电子与物质的相互作用
射线与物质的相互作用
中子与物质的相互作用
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第一节
一．致电离辐射的种类
二．重带电粒子的射程
特点：重带电粒子均为带正电荷离子；主要通 过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激 发；其运动径迹近似为直线。
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一、电离损失率
能量损失率： 入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。 也叫线性阻止本领。 dE dE dE S Sion Srad dx dx ion dx rad
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三．带电粒子在物质中的慢化
(4) 带电粒子与靶原子中核外电子弹性碰撞 与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电 子能量状态不发生改变。 100eV以下的粒子才需考虑。
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第二节 重带电粒子与物质中的相互作用 与核外电子的非弹性碰撞； 与原子核的非弹性碰撞。 一．电离损失率
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三．带电粒子在物质中的慢化
载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可以分为四种 过程，其中前两个过程是主要的： (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。
入射带电粒子与核外电子的库仑作用，使电子获得能 量引起：
电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为 正离子，主要发生在最外层电子。δ 电子。 激发——使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子 处于激发状态，退激发光。 电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。
E1 E2 Sm1 Sm1 (v0 ) Sm2 (v0 ) m Sm2 m 1 2 例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。
2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比， z 12 Sm1 (v0 ) 2 Sm2 (v0 ) z2 例如，相同速度的p与，S=4Sp 。
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二．弹性碰撞和非弹性碰撞 带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。 相互作用过程中，满足能量守恒：
1 2 1 1 '2 1 2 mv MV mv MV 'Байду номын сангаас E 2 2 2 2
当E = 0时，弹性碰撞； 当E 0时，非弹性碰撞； E > 0时，为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与 处于基态的核碰撞，且使核激发； E < 0时，为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与 处于激发态的核碰撞。