射线与物质的相互作用全解
4 射线与物质的相互作用(γ射线 )
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电子对效应中正负电子对的动能
电子对效应中正负电子对取得的动能之 hv 2me c 2 ) ，∆是参加的原子 和应为（ 核的反冲动能，通常，几乎可以忽略不 计。 2 ( hv 2 m c 正电子和负电子的总动能为 ）， e 但正电子（或负电子）的动能可能是从 零到 (hv 2me c 2）范围内的各种数值。
无论在哪个能量范围，光电截面都是随γ射线能量的增加而 减少的，只不过在低能区减少得更快些 。
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原子的电子对效应截面
原子的电子对效应截面σp，可由理论计算得到。 它是吸收物质的原子序数Z和γ光子能量的函数。 当hν稍大于2mec2，但并不太大时， 当hν>>mec2时
P ∝Z 2 E r
2
me c 2 7 2 4 32 ( ) a th Z 5 hv
随着Z的增大，光电效应作用截面迅速增加
因为光电效应是光子和束缚电子的相互作用，Z越大则电子在 原子中束缚得越紧，越容易使原子核参与光电效应过程来满足 能量和动量守恒要求
应尽可能选用Z高的物质来探测γ射线或者防护γ射线，以提高
探测效率和获得更好的防护效果。
如果电子在原子中束缚愈紧，发生光电效 应的几率就愈大。当入射光子的能量大于 K壳层的电离能时，实验和理论都表明， 光电效应在K壳层发生的几率约为80%， 在L层发生的几率比较小一些，在M层发生 的几率更小。
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2 康普顿效应
康普顿效应是光子与核外电子发生非弹性碰撞， 光子把部分能量转给电子使其从原子内部反冲 出来，而能量降低了的光子沿着与原来运动方 向不同的角度散射出去。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明显。 从原子中反冲出来的电子称康普顿电子或反冲 电子。能量变低后的光子称为散射光子，原来 的光子称为入射光子。 康普顿效应中光子只是损失部分能量，运动方 向发生变化，康普顿效应发生在束缚得最松的 外层电子上。
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。
肿瘤放射物理学-物理师资料-2.3 X(γ)射线与物质的相互作用
(3).光电截面
电子在原子中被束缚得越紧，产生光电效应的概率就越大。 如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么大约80％的光 电吸收发生在这K层电子上。
入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。
5 4
k
k为k层光电截面
(4). 作用系数
光电效应总截面：
Z n /(h )3
低原子序数 n≈4 高原子序数 n≈4.8
光电线性衰减系数：
MA
N A
Zn
/(h )3
光电质量衰减系数：
NA MA
Z n1 /(h )3
a. 原子序数的影响 光电效应总截面 光电线性衰减系数
Z4～4.8
光电质量衰减系数
Z3～3.8
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加。
如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的 作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和
c p
总截面 光电效应截面
电子对效应截面 康普顿效应截面
2、线性衰减系数、质量衰减系数
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性
衰减系数，用µ表示，单位m-1或cm-1。
en tr (1 g)
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种
物质的衰减块的厚度。它与线性衰减系数的关系可表示为
HVL 0.693
与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力。
5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离。
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。
射线与物质相互作用
I
厚层
表示射线β计数率与 h无关，已达饱和 此时h称为饱和厚度
①③ ②
I I ，
③对于以上两者之间，有： I I0 (1 eh )
过渡层
1.3.2 γ射线与物质的相互作用 1.3.2.1、作用形式
一、γ 射线的特点
即是粒子，又是光子，具有波粒二象性，是一种波 长极短的电磁辐射，不带电，静止质量为零，不会 发生电离，激发，轫致辐射作用。
(
dE dX
)电离
n)
2、轫致辐射
当高速电子或其它带电粒子通过物质，而被原子核库 仑场阻止而减速时，伴生的电磁辐射，此称轫致辐射。 另一定义：当快速运动的带电粒子在原子核附近突然 被减速时，则有一部分动能转变为连续能量的电磁辐 射，这种过程称为轫致辐射。
(
dE dX
)辐射
Z 2EN m02
三、带电粒子在介质中的射程
1、带电粒子的吸收：带电粒子与物质作用（电离，激 发，轫致辐射）不断损失自已的能量，直到能量完全 耗尽，而停在介质中，这一过程称为~。
2、射程：沿入射方向从入射点到终止点的直线距离。
α粒子的射程
3
R
β α
R 0.318E2 (cm)
R' 3.2104
A
R (cm)
强度(cps/道/%K )
8
K谱
10
K谱 (a)
12
Cs-137的仪器谱
为什么会发生这一现象?
如何发生的?
其过程是这样的:
(1)γ 光子与NaI晶体作用,产生次 级电子:
光电效应____光电子
康吴效应_____反冲电子,散射光 子__光电子
X射线与物质的相互作用
µ＝ wj µj ∑
j
元素的质量吸收系数， 其中µj 代表吸收体内第 j 元素的质量吸收系数，wj是它所占 重量百分比（ 重量百分比（ ） wj = 1 。
∑
X射线的电离作用 射线的电离作用
∗ 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道， 这种作用叫电离作用。 ∗ 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电 子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或 反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原 子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离 后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气 体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电 荷的多少可测定X射线的照射量（X射线测量仪器 正是根据这个原理制成的）。 ∗ 电离作用是X射线损伤和治疗的基础
讨论 若 λ 的关系与物质无关 与物质无关， ∆λ 与θ 的关系与物质无关，是光子与近自由电子
0
可见光观察不 可见光观察 到康普顿效应. λ >> λC 则 ≈ λ0 ,可见光观察不到康普顿效应
间的相互作用. 间的相互作用 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 光子与金属中的 λ 散射中∆ = 0 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 电子（原子核）的作用. 电子（原子核）的作用 物理意义 光子假设的正确性， 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒 动量守恒定律 能量守恒和 定律. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
光电效应的过程
∗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
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）。
第二章 辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用
种现象称为射程歧离。
– 产生这种现象的原因——
每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能 量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于 每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相 互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。
3. 阻止本领
带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称 为电离能量损失。 把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为 电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号
R = 3.2 × 10
4
A
ρ
Raiv
式中，A和ρ分别表示吸收物质原子的质量数和 密度（单位为g/cm3），R的单位为cm。
2.几个重要概念 2.几个重要概念
射程和路径的区别
带电粒子的射程和路程
2.几个重要概念 2.几个重要概念
3）射程歧离
– 一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。 – 相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这
原电离—— 次级电离——由原电离产生的电子如果具有足够的动
能，它也能使原子电离
1. 作用类型 1）电离（ionization)—— 电离（ 电离
δ电子——α粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时， 可以产生高能电子的电离，出射的电子 δ电子可以使物质原子再电离或激发
带电粒子通过物质
物质中原子被电离， 物质中原子被电离，在 粒子通过的路径上形成 许多离子对： 许多离子对： 正离子和自由电子
3. 非弹性散射
非弹性碰撞——
– 当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生
碰撞，而体系功能不守恒，入射电子将自己的一部分能 量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发
– 电子——电子碰撞：实质上是静电相互作用。
第三节 X射线与物质的相互作用
3. 散射电子和反冲电子的角分布
4. 诊断放射学中的康普顿效应 X射线的散射——需要防护
四、电子对效应
1. 作用过程 当X射线光子从原子核旁经过时，在原子核库
仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称为电子 对效应。
发生电子对效应前提——光子的能量大于1.02MeV （兆电子伏 ）
dN 1
N dx
线性衰减系数是光子束能量和靶物质材料的函数， 与入射光子数无关；线性衰减系数越小，说明X射线 的穿透能力越强。
光子数的变化服从指数衰减规律，但必须满足窄束 和单能（单一频率的X射线）条件。所谓窄束是指X 射线光子束的照射范围小，足以保证与靶物质相互 作用后产生的散射光子照不到探测器。
单能平行X射线光子束入射到物质中，如图
入射X射线
靶 厚度
探测器 衰减后的原射线
散射光子
2. μ线性衰减系数 设靶物质单位体积的靶粒子数为n，密度ρ；
在厚度x=0处，与X射线光子束入射方向垂直的单位 面积上的光子数为N0（微分方程的初始条件） ； 在厚度x处，单位面积上的光子数为N；
穿过dx薄层时，有- dN个光子与物质发生了作用。
弹性散射（也称为电子共振），这个电子吸收入射 光子的能量而跃迁到高能级（该电子并未脱离原子， 故反冲体是整个原子），随即又放出一个能量约等 于入射光子能量的散射光子（说明散射光子与原光 子频率差不多）。
相干散射质量衰减系数：
coh Z (h )2
物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光 子的相互作用。
第三节 X射线与物质的相互作用
X射线在与物质的相互作用过程中的大多数情况表 现出其粒子性。
大部分能量转化为热能，产生非生物效应。 光电效应 康普顿效应 电子对效应
X射线与物质相互作用
33
(b)
(a) C对Cu K的散射
34
Be对Cu K的散射
4.光电吸收及其二次效应
1)光电效应的实验规律
X射线波长为λ：对某一元素Z，当λ下降，达到 q 时
，产生光电吸收。
q 最大
λ下降
E q 减少
光电子数（光电流）∝入射X射线强度
发射机制：原子内电子能级跃迁
方向：各向同性
波长：由原子能级确定，与特征谱波长相同。
强度： If I0qf
I 0 入射X射线强度， 物质对X射线的吸收系数， qf 为q 系荧光产额。
qfNqf/Nq N q N qf
q能级受原级X射线激发的原子数 发生q级次级光辐射的原子数
39
荧光产额由物质的原子能级决定。随着原子序数Z
48
实际工作中，常用另外二种表达形式，
dIImdm
II0 e m mI0 e m x
m 称为质量吸收系数，它描述了（单位面积上）单位
质量介质时的吸收。
dm dx，mx
， m
x
它与物质的密度无关 只与元素（Z）和波长有关。
， dIIadN II0e aNI0e anx ， dN nd，xNnx n为单位体积内的原子数目。 a x/n
与实验规律完全一致。
37
3)光电子吸收的二次效应：荧光与俄歇电子 光电吸收——光电子发射，原子处于激发态（内壳
层，例K层，出现空位） 原子退激发过程——二次效应：荧光与俄歇电子
Auger
38
⑴ 荧光：由光子激发的光辐射称为荧光辐射，因而荧 光谱也称为次级光谱。
荧光辐射的本质及其产生的机制，与原级（由高速电 子来激发）特征光谱是完全一样的：
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。
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2θ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：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R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。
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射线与物质的相互作用解读
X射线与物质的相互作用
• X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。 • 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果， 并且吸收是造成强度衰减的主要原因。
X射线与物质的相互作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ散射
• 当X射线通过物质时，物质原子 • X射线经束缚力不大的 的电子在电磁场的作用下将产生 电子（如轻原子中的电 受迫振动，其振动频率与入射X 子）或自由电子散射后， 射线的频率相同。 可以得到波长比入射X 射线长的X射线，且波 • 任何带电粒子作受迫振动时将产 长随散射方向不同而改 生交变电磁场，从而向四周辐射 变。这种散射现象称为 电磁波，其频率与带电粒子的振 康普顿散射或康普顿一 动频率相同。 吴有训散射,也称之为 • 由于散射线与入射线的波长和频 不相干散射，是因散射 率一致，位相固定，在相同方向 线分布于各个方向，波 上各散射波符合相干条件，故称 长各不相等，不能产生 为相干散射。相干散射是X射线 干涉现象。 在晶体中产生衍射现象的基础。
X射线与物质的相互作用
不相干散射
• • 入射X射线遇到电子时，将 电子撞至一方，成为反冲电 ' 1 cos 0.0243 子。入射线的能量对电子作 功而消耗一部份后，剩余部 份以X射线向外辐射。散射X 射线的波长（λ‘）比入射 X射线的波长（λ）长，其 差值与角度α之间存在如右 图关系： • 不相干散射在衍射图相上成 为连续的背底，其强度随 （sinθ/λ）的增加而增大， 在底片中心处（λ射线与底 片相交处）强度最小，α越 大，强度越大。
射线与物质的相互作用
作用过程
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 概率发生（大致）能量低，↑；原子序数高，↑。 光电效应的发生率随着入射光子能量增大而降低 、随着物质原子序数增大而增大
几种主要作用与光子能量、物质的原子序数的关系
各种效应对射线照相的影响
光电效应与电子对效应引起的吸收有利于 提高照相对比度。 康普顿散射会降低对比度。
征X 射线( 表征元素的特征信息 ) 。由于是光激发 (
光致电离)，故发射的X射线为荧光(二次)X射线。
伴随现象—俄歇效应
实质是较高能级的轨道电子填充空位时所 释放的能量，可以激发外层轨道电子，使 外层电子从原子中发射出来，这种电子称 为俄歇电子。(轻元素更易发生)
3.康普顿效应
康普顿效应(1925年诺贝尔物理奖)
光子能量守恒 1 2 hv mv max 2 hv 小于 时，电子不能脱出金属表面。
光的频率决定了光子的能量，也就决定了 电子的能量。
光的强度只决定光子的数目，光子多，产 生的光电子也多，但能不能产生光电子则 决定于光的频率。
经典物理解释与光量子学说
经典物理的解释行不通：光照到电极上— 电子得到能量—光电子的能量集到一定程 度就逸出—光要照射约1/3年，电子的能量 才达到1电子伏特—与实验矛盾—实验约109秒就有电子逸出。 依照经典理论，光强才决定电子能量，但 实验证明弱的紫外光比强的红光照出的电 子的能量都大。
伴随现象—荧光辐射
原子内层( 例如 K 层) 出现空位，较外层( 例如L层 ) 电子向内层辐射跃迁，发射的辐射即X射线，其光 子频率取决于电子跃迁前 ( 电子在L 层 ) 与跃迁后 ( 电子在K层)的能级差(hv=E=EL-Ek)，也可说取决 于初态(跃迁前，K层空位)与终态(跃迁后，L层空 位)电子结合能之差(hv=Eb=EbK－EbL)，故称为特
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2θ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：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R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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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。