原子核物理-第五章

原子核物理 第五章 射线与物质相互 作用
华南理工大学电力学院

前言
• 射线和物质相互作用是核物理和高能物理实验、核辐 射探测器以及核技术应用的基础知识 • 射线泛指核衰变，核反应和核裂变所放出的粒子，也 包括由加速器产生，或来自宇宙线的多种粒子，包括 α、β、γ、X射线，中子，裂变碎片和重离子 • 物质是指宏观意义上的物质，包括固体、液体和气 体，可以是单质或化合物 • 从微观上讨论各种射线在穿透物质时运动学上的变化 及能量在物质中的吸收过程；同时也要涉及射线引起 物质的变化

内容
• 重带电粒子与物质的相互作用 • β射线与物质的相互作用 • γ射线与物质的相互作用

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 带电粒子穿过靶物质时可与其原子核和核外电 子发生库伦作用或核反应，前者截面约为1016b，后者截面约为10-26b，故往往只考虑库伦 作用 • 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞使得核外电 子改变其在原子中的能量状态，当核外电子获 得的能量不足以挣脱原子束缚成为自由电子 时，核外电子由低能态跃迁至高能态，这就是 阻止介质原子被带电粒子激发的过程 • 受激原子是不稳定的，将通过发射γ射线退激

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 当核外电子受激能量高于电离能时，受 激原子被电离，产生一个自由电子和一 个失去自由电子的原子（正离子） • 最外层电子束缚最松故被电离的概率最 大，当内层电子被电离后留下的空穴将 由外层电子填充，并发射特征γ射线或 俄歇电子（类似EC）

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 电离过程产生的自由电子通常能量较低，但有时也具 有较高能量（δ电子），可以在阻止介质中继续使其 它原子电离 • 带电粒子也会与核外电子发生弹性碰撞，但此时传给 靶物质原子的能量通常低于最低激发能，可以忽略 • 带电粒子在靶物质中由于与核外电子的非弹性碰撞使 原子发生激发或电离而损失自己的能量称电离损失， 从靶物质对入射带电粒子作用来讲又称为电子阻止 • 只要不是能量低的重带电粒子（重于α粒子），电离 损失或电子阻止是这些粒子穿过靶物质时能量损失的 主要方式

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 设带电粒子质量为M，电荷为ze，入射能量为E0，速 度为v入射到靶物质中，当带电粒子离开距离r时，电 子受到的库伦力为f=-ze2/r2，dt时间内电子获得的动 量为dp=fdt • 如图5.1.1电子获得的动量只存在于y方向，那么对dp 积分并根据几何关系可得py=2ze2/bv，相应带电粒子 与一个电子碰撞而损失的能量Eb=2ze4/meb2v2 • 假设单位体积内有N个靶物质原子，对于原子序数Z则 单位体积内的电子数为NZ，对图5.1.2内的电子数则 等于A=2πbdbdxNZ，能量损失为dE=-AEb
此时带电粒子能量较高，速度远大于核外 电子速度，故核外电子可作为自由电子处理

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 那么单位路程上的能量损失为
dE 4π z 2e 4 NZ bmax − = ln 2 dx me v bmin
• 又称电离能量损失率或阻止本领，单位为Mev/cm， 负号表示随路径的增加能量将减小 • 将bmax与bmin的表达式分别代入，并引入I表示平均电 离能，则电离能量损失率近似等于
dE 4π z 2e 4 NZ ⎛ 2me v 2 ⎞ ln ⎜ − = ⎟ 2 dx me v ⎝ I ⎠
通常电离损失率与入射粒子速度成反比

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 阻止本领只与入射粒子的速度有关，与其质量无关 • 阻止本领与重带电粒子的电荷数（ze）平方成正比 • 阻止本领与NZ成正比，即密度很大原子序数高的物质 具有较大的阻止本领 • 思考：1Mev的质子与2Mev的氘核的穿透能力哪个更 强？相同速度下质子与α粒子的穿透能力谁更强？ • 定义阻止截面Σ=-(dE/dx)/N，对于化合物或混合物 的阻止截面等于各组分原子阻止截面与各种权重因子 乘积后之和

5.1 重带电粒子与物质的相 互作用
• 上述推导的电离能量损失率只适用于高速领域重带电 粒子与靶物质核外电子非弹性碰撞引起的能量损失 • 带电粒子速度降低后，有利于它与靶物质核外电子的 能量传递，当速度降低至一定限值后，靶物质原子中 束缚紧的电子不再贡献于电离碰撞，而且重带电粒子 从介质中俘获电子的概率增加，减少其有效电荷，电 离碰撞能量损失也因此减少 • 在更低的速度区域，重带电粒子与靶物质原子核的弹 性碰撞将成为其损失能量的主要过程
出现极大值，然后 下降，与理论不符

最大距离成为入射粒子在靶物质中的

电子高速运动时必须根据相对论计算，当速度较低时

可见光，不具有辐射性，如

反冲电子的能量为

反冲电子夹角与散射光子夹角的关系为

当θ=0时散射光子能量最大，等于入射光子，此时反冲电子能量为零，当θ=π时散射光子能量最小

的特点

对应的整个原子的康普顿散射积分截面为

当hv/m c2~0时，微分截面趋向于汤姆逊散射截面，

电子对效应截面具有以下表达式

当γ射线与物质发生光电效应、康普顿效应或电子对效应占优势，高能γ射线中电子对效应占优势