第4章 射线与物质的相互作用-3
射线检测技术4-3带电粒子、中子与物质的相互作用
会发生很大的变化，根据经典电磁理论，将产生电磁辐射，这种电磁辐射称
为
轫致辐射。带电粒子的(轫致dd辐Ex射)r引ad起的辐zm2射Z2能2量N损E失率为
所以X射线管中用高能量电子、高原子序数靶 多次散射
电子与靶原子核库仑场发生相互作用时，还可能发生弹性散射，即只改变运 动
方向，不辐射能量。由于电子质量比原子核小得多，因此散射角度可以
(c) 进行粒子放射的吸收
(d) 进行核裂变的吸收
中子射线强度的指数衰减规律
α射线与物质相互作用
•(1) α射线与核外电子作用 •α粒子在物质中通过时，由于α粒子和原子核外电 子的库仑作用，使电子获得能量。如果这种能量能 够使电子克服核的束缚，电子将脱离原子而成为自 由电子，即为电离。如果α粒子传给电子的能量较 小，还不能使电子脱离核的束缚变成自由电子，但 是电子有可能从原来的能级跃迁到更高的能级上去
如电子撞击阳极靶
重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞时，可能 使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称 为库仑激发。一般库仑激发概率太小，将不予考 虑。
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核发生库仑相互作用而改变其 运动速度和方向，但不辐射光子，也不激发原子 核，碰撞前后保持动量守恒，入射粒子损失能量 ，靶原子核反冲。入射粒子可以多次与靶原子核 发生这种弹性碰撞，造成能量损失。同时反冲的 靶原子核如果能量较高，也可以与靶原子核发生 弹性碰撞，这种级联碰撞可造成靶物质的辐射损 伤。从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，这种 作用过程也称为“核阻止”。
，使原子处于较高的能量状态，即为激发。
荧光光子
散射光子
α射线
e
(a) 激发
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。
(完整word版)核辐射探测学习题参考答案(修改)
第一章射线与物质的相互作用1.不同射线在同一物质中的射程问题如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？解：P12”利用Bethe 公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。
”根据公式：)()(22v R M M v R b abb a a ZZ =，可求出。
步骤：1先求其初速度。
2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。
3带入公式。
2：阻止时间计算：请估算4MeV α粒子在硅中的阻止时间。
已知4MeV α粒子的射程为17.8μm 。
解：解：由题意得 4MeV α粒子在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-REMa，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×44()s ＝2.136×1012-()s3：能量损失率计算课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。
更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。
及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。
代参数入求解。
第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：()20822.34700700()rad iondE E Z dx dEdx*⨯≅=≈4光电子能量：光电子能量：（带入B K ） 康普顿反冲电子能量：200.511m c Mev =ie hv E ε-=220200(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.060.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06Er Ee Mev m c Er θθ--⨯====+-+-+⨯5:Y 射线束的吸收解：由题意可得线性吸收系数10.6cm μ-=，311.2/pb g cm ρ=12220.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cm μμρ--∴===⨯质量吸收系数 由r N μσ=*可得吸收截面：12322230.6 1.84103.2810/r cm cm N cmμσ--===⨯⨯ 其中N 为吸收物质单位体积中的原子数2233.2810/N cm =⨯ 0()t I t I e μ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0()0.1%0.001t I t e I μ-∴=∴=即t=5In10 =11.513cm6：已知)1()(tι--=e A t f t 是自变量。
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。
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。
X射线与物质的相互作用(共4张PPT)
的电子在电磁场的作用下将产生 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。
子（如轻原子中的电子）
任X散 相X散X射射射何射干射线线线•带 散与与与电射物物物受 射任交粒是质 质 质子X的的的射线 变何迫作相相相线受互互互在的电带迫振作作作晶振频磁电用用用体动动中时率场粒产将，生产相，子衍生其射交作同从现变振象。而受电的磁动基向迫场础，频。四振从而率周动向四与辐时周辐入射将射电电产射磁波磁生X，其频率与或得的射带电X自到方粒射子由波向的线振电长不动，频子 比同率且散 入相而同波射 射。改长后X射变，随线。可散长这以
各个方向，波长各不相
为相干散射。相干散射是X射线在 等，不能产生干涉现象。
晶体中产生衍射现象的基础。
第三页，共4页。
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
波，其频率与带电粒子的振动频率 种散射现象称为康普顿 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。
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。
相同。 散射或康普顿一吴有训 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：
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。
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。
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。
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上一章讨论了原子核的放射性。
原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。
本章讨论这些粒子与物质的相互作用。
本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应β等等。
堆产生的各种各样的粒子，如n,,,,,3γHex,dta,本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。
通常叫做靶物质。
本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。
了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。
因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。
如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。
在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。
有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。
§１带电粒子与物质的相互作用α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面：（1）射线（2）靶物质。
不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。
对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
地球物理测井专业主要利用射线与物质的相互作用来确定地层的一些参数。
由于γ射线不带电荷，可以入射到物质的深处，因而可以得出物质较深处的相互特性。
这是我们重点讨论非带电粒子与物质相互作用的原因。
具有一定能量的带电粒子射入靶物质与物质发生相互作用，有如下四种作用方式：（1）与核外电子发生非弹性碰撞；（2）与核发生非弹性碰撞；（3）与核外电子发生弹性碰撞；（4）与核发生弹性碰撞。
辐射与物质的相互作用
照射量下降百分数(%)
0 22 47 80
使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚 度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
楔形或 梯形滤 过板
4. X (γ)射线在物质中的衰减
I I 01e
光 子 数
1 x
I 02e
2 x
I 0 ne
n x
单能X线 连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律 (2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照 射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组 织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口 放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分， 使平均能量增高。
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 脂肪(×102) 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 肌肉(×102) 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 骨骼(×102) 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918
RT2理论知识 第1章 射线检测的物理基础
射线向四周辐射。
1.2.2 X射线的产生及其特点
1.2.2 X射线的产生及其特点
1.2.2 X射线的产生及其特点
1.2.2 X射线的产生及其特点
1.2.2 X射线的产生及其特点
1.2.2 X射线的产生及其特点
1. <10KeV
光电效应为主
2. 2. 10～100KeV KeV↑，光电↓
3. >100KeV
康普顿为主
4. 1Mev
康普顿几率最大
5. >1Mev
KeV↑，康普顿↓，电子对↑
6. 10Mev
康普顿几率与电子对几率相同
7. >10Mev
以电子对为主
1.3.5 各种相互作用发生的相互概率
各种不同效应对射线照相量的影响
1.2.3 γ射线的产生及其特点
1.2.3 γ射线的产生及其特点
1.3 射线与物质的相互作用
1.吸收与散射； 2.射线与物质的作用形式； 3.强度衰减规律
1.3 射线与物质的相互作用
1.3.1 光电效应
光电效应的发生概率随光子能量增大而减小，随原子序数Z增大而增大。
1.3.2 康普顿效应
1.3.5 各种相互作用发生的相互概率
三种效应的发生概率与入射光子的能量和原子序数有关：
1.对于低能量射线、高原子序数物质，光电效应占优势； 2.对于中等能量射线、低原子序数物质，康普顿效应占优势； 3.对于高能量射线、高原子序数物质，电子对效应占优势；
1.3.5 各种相互作用发生的相互概率
射线在钢中各种效应的发生几率
原子核的构成 原子核由更小的两种粒子：质子和中子
大学课件-伽马射线与物质的相互作用
3. 康普顿效应(1/2) 定义
1923年康普顿发现X光与电子散射时波长会发生移动的
现象，称为康普顿效应。 入射光子与靶核原子核外电子发生非弹性碰撞，一部分 能量转移给电子，使之反冲出来（康普顿电子），而光子 的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子的现象。 外层电子可看成自由电子， 该效应可认为是光子与处于静止 状态的自由电子之间的弹性碰撞， 符合相对论的能量动量守恒。 入射光子与散射光子能量 h，h ' ;
康普顿效应覆盖能区最广
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5.伽马射线的吸收(2/2)
定量分析
吸收物质单位体积原子数为N，在厚度t处的伽马射线强
度为I，通过dt薄层后，强度变为I-dI,有如下关系
dI I Ndt
射线强度衰减遵循指数规律
例子铅对伽马的吸收光电效应在低能区显著电子对效应在高能区显著康普顿效应覆盖能区最广定量分析吸收物质单位体积原子数为n在厚度t处的伽马射线强度为i通过dt薄层后强度变为idi有如下关系射线强度衰减遵循指数规律基本概念吸收截面线性吸收系数质量吸收系数表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率与吸收物质的密度有关与吸收物质的密度及物理状态无关更方便使用基本概念光电效应康普顿效应电子对效应基础知识三大效应发生的条件特点变化规律重点难点伽马射线与物质作用三大效应所涉及的物理过程截面线性吸收系数质量吸收系数伽马射线在物质中的吸收规律伽马射线在物质中吸收规律的定量分析谢谢各位老师敬请批评指正
与吸收物质的密度及物理状态无关，更方便使用
表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率 与吸收物质的密度有关
m m
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
辐射成像原理-第4章-X射线散射成像
2.8 1013 cm
ε0—真空介电常数
康普顿散射的总截面
当h >>m0c2
时
c
Z r02
m0c2
h
ln
2h
m0c2
1
2
康普顿散射截面的影响因素
医学诊断用X射线能量约在几百keV~几MeV之 间，此时康普顿效应占优势
反冲电子的能谱
θ >150 时，h ~ 200keV，形成反散射峰。
及测定橡胶压延机轧辊上胶层厚度等。
探测器无准直的康普顿背散射成像
Towe&Jacobs,1981
探测器无准直的康普顿背散射成像
c K1nf (E) K1- 常数，ρ-密度，n-电子密度
背散射光的强度反映 了散射光子出射路径 上物质散射特性的积 分情况，与材料的厚 度直接相关
探测器无准直的康普顿背散射成像
两个探测器的符合 测量能够确定散射 光子路径和散射角， 进而得到入射光线 的方向。
能谱康普顿背散射成像
轮胎是复合材料产品的代表,由胶料、钢丝帘线和有机纤维帘 布组成。普通X射线吸收成像中容易测到钢丝帘线,但几乎测 不到有机纤维帘线，且很难区分不同种类的橡胶。图中a和b 清楚示出了有机纤维帘布和胶层结构,c示出了溴化丁基橡胶 (BIIR)胶层(气密层)状况。
能谱康普顿背散射成像
E ',min
1
h 2h
m0c2
Ee,max
1
h
m0c
2
2h
散射角θ与反冲角φ的一一对应关系
ctg
1
h m0c2
•
tg
2
θ:0~π
φ:π/2~0
康普顿散射的微分截面
微分截面
《放射物理与防护》教学课件：4第四章1：X线与物质的相互作用
第一节 概述
• η常被称为作用几率 η=NB/N
• 它表示射线通过物质层面Δx时，一个入射 光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（N 表示入射光子数）。显然，作用几率η与射 线通过物质上的靶粒子数NB成正比。
• 研究射线通过物质时与物质发生相互作用 ，可以了解射线的性质、射线产生的物理 过程及射线对物质的影响。
• 也是进行射线探测、防护和应用的重要基 础。
第一节 概述
• X线通过物质时，小部分从物质的原子间 隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产 生各种的物理的、化学的及生物的效应。
• 这些效应的产生都是物质吸收X线能的结 果。
X线与物质相互作用---光电效应
第一节 概述
• 下图示：X线光子进入生物组织后，光子能 量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物 效应的大概过程。
光电效应
光子
X线光子进 入生物组织
康普顿效应
电子对效应
韧致辐射
高速电子
电子沿径迹 损失能量
电离 激发 热
物化阶段 生化阶段 生物损伤
第一节 概述
一、X线与物质相互作用的几率 • 由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒
第一节 概述
• 作用几率η也可用入射束通过物质前后的强 度变化来表示。
η=I0－I/I0=ΔI/I0 • η ：作用几率； • I0：入射强度； I：出射时的强度。 • 因入射光子通过物质时将与物质粒子发生
相互作用，使出射束的强度减弱。I＜I0
第一节 概述
二、射线的衰减 一）.线衰减系数 • 是让光子束入射到厚度可变的物体上，探
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都是放热反应(Q>0)，它们发射中子的能量为：
Ed md mn mB (mB mn ) Q md 2 2 En {cos cos [ (1 )]} 2 (mB mn ) md mn Ed mB
式中：Ed是入射氘核的动能，mn，md和mB分别是中子、入射 氘核和剩余核的质量，Q是反应能，θ为中子的出射角。 可见：中子的能量不仅和入射氘的动能Ed有关，而且和中子的 出射角θ有关。 两个反应截面随入射粒子能量的变化如下图所示：
•
散裂中子源(SNS, Spallation Neutron Source)
散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施 之一。它能产生比核反应堆强10~100倍的有效中子束流，将其射入 被研究的样品，就可以测定物质的内部结构，研究物理、化学性质 和变化规律。
工作原理——质子通过大型加速器获得高能量后，轰击重元素 靶(如：铅、钨、铀、钍靶)，重靶的原子核不稳定而发生散裂反应， 从而中子从原子核内发射出来，每个高能量的质子可以使靶核发出 20~30个中子，瞬间就会形成非常强的中子束流。 中子慢化后与样品发生散射，由中子散射谱仪接收。科研人员 则利用中子谱仪研究样品最本质的结构细节和动力学性质。 散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从eV~几 百MeV宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深 了中子科学研究的领域。
Hale Waihona Puke 中子的寿命： 自由中子(发生－衰变)的半衰期为T1/2=10.60min
中子的电荷： 中子总体是电中性（不带电），是中性粒子。
中子具有强的穿透能力：
中子与物质中原子的电子相互作用很小，基本上不会因使原子 电离和激发而损失其能量，因而比相同能量的带电粒子具有强得多 的穿透能力。 中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。 产生两个问题：中子的探测（通过与靶核反应或散射产生的带电粒 子的测量得到中子能量信息）和对中子的屏蔽及防护。（后续课程要 解决的问题）
自由中子是不稳定的。一个自由中子会自发地转变成一个 质子、一个电子(粒子)和一个反中微子，并释放出0.782MeV 的能量。
n p (e ) v(反中微子) 0.782MeV
自由中子的不稳定性
反映
中子的静止质量稍 大于氢原子质量。 因此贮存自由中子 是不可能的。
mn＝1.0086649u＝939.565300MeV/c2 mH＝1.007825u＝938.7830MeV/c2
第四章
射线与物质的相互作用
§4.1 §4.2
概述 α粒子与物质的相互作用
§4.3
§4.4
β射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用
§4.5
§4.6
射线在物质中的衰减
中子与物质的相互作用
***第4.6节 中子与物质的相互作用
一、中子的基本性质与分类
（一） 中子的基本性质
中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重 要组分。
两种反应都会因为氘核破裂产生的 破裂中子而受到干扰，限制了能够产生 单能中子的能区。 竞争反应过程T(d,np)T和D(d,np)D 的阈能分别为3.71MeV和4.45MeV。
7
Li( p, n) Be 反应：
是吸热反应(Q<0)；
7
只能得到(120~600)KeV的单能中子， 其截面随能量Ep(1.92~2.4MeV)的变化 如右图所示：
含义：
加速器中子源是利用各种带电粒子加速器去加速某些粒子(带电 粒子)，如质子和氘等，用它们去轰击靶原子核产生中子。
特点：
这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、 能量单一的中子束流。
在低能加速器上用来产生(0~20)MeV单能中子的核反应：
T (d , n) 4 He D(d , n)3 He
•
中国散裂中子源(CSNS, China Spallation Neutron Source)
目前，世界上正在运行的三大散裂中子源包括英国卢瑟福实验 室散裂中子源、美国橡树岭国家实验室散裂中子源和日本原子能研 究机构散裂中子源。
英国散裂中子源已成功运行超过25年，获得大量成果。
日本散裂中子源造价17亿美元，其用户增长极为迅速，正在酝酿建设新的2 兆瓦的散裂中子源。
二、中子源
为了研究中子与物质相互作用以及它们在实际问题中的应用， 首先必须要有能够满足不同要求的中子源以产生所需的中子。
• • •
中子源的分类： 加速器中子源 反应堆中子源 放射性中子源 性能更好，多用性强， 特别是加速器中子源 可实现便携式，使用方便， 适合野外及现场使用
（一） 加速器中子源
美国散裂中子源造价14亿美元，设计束流功率1.4兆瓦，目前稳定运行在900 千瓦，2006年产生中子，还依托散裂中子源建立纳米材料科学中心。
中国散裂中子源于2011年10月20日在广东省东莞市奠基，其建 成后，将成为发展中国家的第一台散裂中子源，并与正在运行的美 国、日本、英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲式散裂中子源。
总投资16.7亿元人民币，加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速 器的方案，可以节省投资、易于升级；散裂中子源建在地下5米的隧道内，周围 用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射；在屏蔽外，剂量水平远低于天然宇宙线产生 的照射。只要加速器一停机，这种瞬发辐射随即消失。
（二） 中子的分类
慢中子：E<1KeV
包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。 其中：热中子的能量约为0.0253eV，与吸收物质原子处于热 平衡状态，中子速度~2.2×103m/s 。
中能中子：E的范围1KeV~0.5MeV；
快中子：E的范围0.5MeV~10MeV； 特快中子：E>10MeV；
T ( p, n) He 反应：
是吸热反应(Q<0)；
3
在θ=0°方向上，可获得 (0.29~7.5)MeV的单能中子，其截 面随Ep能量的变化如右图所示：
强中子源：
利用数百MeV的脉冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可 以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。 结合飞行时间技术（飞行距离200m或更长）可以一次实验获 得宽广能区内不同单能点的中子反应截面曲线。 与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。