射线与物质相互作用
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。
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线是一种高能电磁辐射，当它与物质相互作用时，会产生三种主要的相互作用方式：康普顿散射、光电效应和正负电子对产生。
首先是康普顿散射。
康普顿散射是指当γ射线与物质中的电子相互作用时，γ射线的能量被电子散射并改变方向。
在这个过程中，γ射线会获得电子的部分动能，在较大的散射角度处发生散射。
康普顿散射是γ射线与物质相互作用的主要方式之一，特别适用于高能γ射线。
其次是光电效应。
光电效应是指当γ射线通过物质时，与物质中的原子产生相互作用，电磁能量被物质原子中的束缚电子吸收，从而将束缚电子从原子中释放出来，这个过程称为光电效应。
在光电效应中，γ射线会将一部分或全部能量转移给原子中的电子，使其获得足够的能量以克服束缚力从而跃迁到连续态或离散态。
光电效应对低能γ射线具有较高的敏感性。
最后是正负电子对产生。
当γ射线的能量较高时，它可以发生与物质原子相互作用，产生正负电子对。
这个过程称为正负电子对产生。
γ射线的能量转化成正负电子对的质能，其中正电子通过与原子中的电子湮灭而产生γ射线以及其他次级粒子。
总结起来，当γ射线与物质相互作用时，康普顿散射会改变γ射线的方向，光电效应能够释放束缚电子，而正负电子对产生则会产生正电子和其他次级粒子。
这三种相互作用方式在不同能量范围内起主导作用，我们可以基于这些相互作用方式来有效使用γ射线进行不同的应用，如核能、医学和材料科学等领域。
射线检测的原理
射线检测的原理射线检测是利用射线与物质相互作用产生的能量变化来确定物质的性质和结构的一种检测技术。
射线检测包括X射线检测和γ射线检测两种常见形式。
以下将从射线的产生、传播和与物质相互作用的过程中详细介绍射线检测的原理。
一、射线的产生和传播X射线是通过X射线发生器产生，γ射线则是通过放射性同位素产生的。
无论是X射线还是γ射线，它们在空气和真空中都可以传播，并且表现出波动性和粒子性。
在空气和真空中，它们像电磁波一样传播，但在物质中会发生散射和吸收。
二、射线与物质相互作用的过程1.透射：射线与物质中的电子相互作用发生散射的可能性小，射线能够穿过物质，这种现象称为射线的透射。
2.吸收：射线与物质中的原子发生相互作用，在穿过物质的过程中被逐渐吸收。
射线的吸收与物质的密度有关，密度越高，吸收越大。
3.散射：射线与物质中的原子发生碰撞后改变方向，这种现象称为散射。
散射可分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是射线碰撞后方向发生改变，但能量不发生改变；非弹性散射是射线碰撞后不仅方向改变，还失去或获得能量。
4.荧光：当射线与物质相互作用后产生能量变化时，物质会发出辐射，这种辐射称为荧光辐射。
荧光辐射在物质中的原子的能级间跃迁过程中发生。
不同的物质有不同的荧光辐射特征，因此可通过荧光辐射分析物质的成分和结构。
5.效应：射线与物质相互作用可产生多种效应，如光电效应、康普顿散射和正负电子对产生等。
这些效应也可以用于分析物质的成分和性质。
三、射线检测的应用1.医学影像学：X射线和γ射线在医学影像学中广泛应用。
通过X射线片或CT扫描可以观察内脏器官的形态和内部细节，用于诊断疾病。
核医学利用放射性同位素发射的γ射线来研究人体的生理功能状态。
2.工业无损检测：射线检测可以用于工业中的无损检测，例如检查金属部件中的缺陷、测量材料的厚度和密度、检测焊接接头质量等。
射线穿透能力较强，可以便利地检测物体的内部结构和材质的均匀性。
3.考古学和文物保护：射线检测可以帮助考古学家探测古墓、古代建筑以及文物中的有用信息，以便更好地理解历史和文化。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式γ射线是一种高能电磁波，具有极强的穿透能力，能够与物质相互作用。
下面将介绍γ射线与物质相互作用的三种主要方式。
第一种方式是光电效应。
当γ射线与物质相互作用时，它的能量可以被物质中的原子吸收，使得原子中的电子被激发或者被电离。
这种现象被称为光电效应。
在光电效应中，γ射线的能量被转移给物质中的电子，从而使得电子获得足够的能量逃离原子，形成电子-空穴对。
光电效应在医学影像学中广泛应用，例如X射线摄影。
第二种方式是康普顿散射。
康普顿散射是指γ射线与物质中的电子相互作用后改变方向和能量的过程。
当γ射线与物质中的电子碰撞时，它会转移一部分能量给电子，使得γ射线的方向发生改变。
这种散射过程不仅改变了γ射线的方向，还使γ射线的能量降低。
康普顿散射在射线治疗和核物理实验中有重要应用。
第三种方式是伽马射线的光电效应。
在高能γ射线与物质相互作用时，γ射线的能量可以被原子核吸收，从而使得原子核发生电离或激发。
这种现象被称为伽马射线的光电效应。
伽马射线的光电效应在核物理实验中经常被用来研究原子核的结构和性质。
除了上述三种方式，γ射线还可以通过康普顿散射与电子发生相互作用，产生正负电子对。
这种过程称为产生电子对。
产生电子对是一种重要的能量损失机制，在高能物理实验中起着重要的作用。
γ射线与物质相互作用的三种方式分别是光电效应、康普顿散射和伽马射线的光电效应。
这些相互作用过程在医学影像学、射线治疗和核物理实验中都有广泛应用。
通过深入研究γ射线与物质的相互作用，可以更好地理解和利用γ射线的特性，推动相关领域的发展和进步。
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。
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。
射线与物质的相互作用
2.2.2 韧致辐射
当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核外 库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全 部转变为连续能量的电磁辐射，这就是韧致辐射，又称 韧致X射线。产生的韧致辐射能量范围可以从零连续到
电子的最大动能。
电子在物质中通过单位长度路径时，由于韧致辐射 而损失的能量称为辐射能量损失率，用
表2-1 Eα /MeV 空气/cm
生物组织/μm
α粒子在空气、生物组织、铝中的平均射程 4.5 3.0 37 20 5.0 3.5 43 23 5.5 4.0 49 26 6.0 4.6 56 30 6.5 5.2 64 34 7.0 5.9 72 38 7.5 6.6 81 43 8.0 7.4 91 48 8.5 8.1 100 53 9.0 8.9 110 58 10.0 10.6 130 69
引言
射线与受照射物质相互作用时，不仅射线能量不断 损耗，而且强度也不断降低，甚至还会引起受照射物质 原子核的核反应。这些现象对于射线探测、射线特性研
究、射线应用及辐射防护等具有十分重要的意义。
根据实际应用情况，这里着重讨论α射线、β射线、 γ射线及中子与物质的相互作用。
2.1 α射线与物质的相互作用
2.1.1 α粒子与核外电子的作用
α粒子在某物质中通过
单位长度路径时，由于电离
核
激发
E α
和激发而引起的能量损失称 为电离能量损失率，用
dE dx col
表示（COL代表碰撞），根据贝特（Bether）公式，α粒子
的电离能量损失率具体可以表示为
4 e4 z 2 NZ dE 2 d x m col 0
9 4
Be α C n 5.901MeV
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。
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2章 射线与物质相互作用
α粒子刚进入介质中时， 速度快，与介质原子的作 用时间短，比电离小；在 射程末端前， α粒子速度 慢，作用时间长，有极大 值；此后，能量耗尽，比 电离快速衰减到0。
入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比电离值越大。
α粒子在空气中的比电离约6600离子对/mm，产生此峰值α 的粒子能量约700keV。
这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子 的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的 阻止作用称为核阻止。
核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子 入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起 反散射的主要过程。
α粒子质量大，与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小， 运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量，可以使晶体原子 位移，形成缺陷，即造成物质辐射损伤。
四、α粒子与原子核的作用
α粒子与核作用形式：卢瑟福散射、核反应
• 卢瑟福散射—α粒子与核库仑场作用而改变方向；
• 核反应—α粒子进入原子核，使原来的原子核发生根本性 变化，即产生新核并放出1个或几个粒子。记为A（α,b）B。
几个利用α射线完成的著名的核反应：
• 利用210Po放出的α粒子轰击9Be制成的靶，可以产生12C和中 子（查德威克1932 ），导致中子的发现：
这些相互作用是入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、 原子核发生的库仑相互作用。
这些相互作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损 失，结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电 粒子在相互作用过程中逐渐慢化。
当然，入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒，并与原 子核发生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。
• 例：210Po，放射源，E=5.3MeV，计算其在空气中和铝 （A=27 ， =2.7g/cm3 ）中的射程。
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
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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
形成电子对效应____正负电子___ γ光子__电光子
(2)次级电子在晶体中损耗能量,它与能谱仪产生脉冲幅度 成正比
(
dE dX
)轫致
/
(
dE dX
)电离
EZ 800
3、弹性散射
带电粒子在物质中运动时受库仑场的影响而改变方 向，这种现象称为散射。
如果散射前后入射粒子与原子核的总能量不变，称 为弹性散性。
如果散射前后总能量不相等，则称为非弹性散射。
β粒子与原子核作用易发生弹性散射，特别对于低能 β（100ev以下），与高原子序数的物质作用，更 容易发生弹性散射。
3、β粒子在介质中衰减
相 对 能 注 量 率
曲线1_单能电子能量为1.9Mev 曲线2_β射线连续谱,最大能量为1.9Mev
I I0ed
I/I0
吸收厚度g/cm2
D1/ 2
ln 2
R 10 D1/ 2
4、β射线的自吸收 设I0为单位厚度的薄层在该薄层表面产生的β射线计 数率，取dx薄层，则表面β计数率为I0dx,则I0dx经过 x厚吸收层的衰减遵从负指数规律：
m
( A ni Ai ) i 1
β粒子的射程 由于β粒子能谱是连续谱，一般用β粒子的最大射程 （或具有最大能量的β粒子的射程）来表示β粒子的 射程。对于铝介质，有经验公式：
R 0.407E1.3m8ax (0.15MeV E max 0.8MeV)
R 0.542E max 0.133(E max 0.8MeV)
2、康普顿散射效应
定义：当入射光子与壳层电子直接碰撞时，光子只 将部分能量给了电子，电子以此能量为动能反冲出 去，称为反冲电子（或康普顿电子）；入射光子本 身改变了原来的方向并不消失，称为散射光子。
Eγ入射光子
E’γ散射光子 θ
φ
Ee反冲电子
σ 康普顿线吸收系数
Z A
L e
m
1.3 射线与物质相互作用
α、β、γ、X、 中子
物质或介质
能量衰减
空间变化
基本规律
1.3.1 带电粒子与物质作用
一、粒子的性质
带电粒子主要是指α 、β 粒子，两者销有区别：
α粒子带正电，有4个质量，为重粒子，速度 低，为1/10C，能量大，4-8Mev；
β粒子带负电，质量几乎为零，电子流，速度 大， 约等于光速，能量小， <4Mev,1.0Mev左右。
二、作用形式
1、电离、激发 电离：带电粒子与介质中原子的壳层电子相作 用，使其获得能量，若其能量足够时便可能脱 离核的束缚而成为自由电子。 激发：若壳导电子获得之能量不足以克服核的 吸引，则该电子只能跃迁到离核较远的轨道上 去。 次级电离：指电离过程产生的一些能量相当大 的电子引起的原子电离。空气中α粒子的次级电 离约占总电离的60～80％；β粒子的次级电离 约占总电离的70～80％。所以次级电离不容忽 视。
E h h C h
E
二、作用形式
1.光电吸收效应
定义：当γ光子与物质中原子发生碰撞时，将全部 能量交给原子中的壳层电子，获得能量的电子克服 电离能的束缚而脱离原子运动。光子能量完全被吸 收，同时放出自由电子叫光电子。
Ee h j
( j K, L, M , )
Bi-214(1.7 65)
Bi-214(2.20 4)
U谱 (b)
T h谱 (c)
3
强 度(cps/道/ppm e Th) 强 度(c ps/道/ppmeU)
3
2
1
00
0.5
1.5 1.0
2.5 2.0
3.0
U谱
4.0 3.5
4.5
E（MeV）
3
2
1
0
E（MeV）
0
3
2
1
0
2
4
6
相对强度
K-40 (1. 460)
Tl - 208( 2.614)
E（MeV）
2
1
0
相对强度
Ra- 226( 0.186) Pb-214(0.2 42)
Pb-214(0.2 95) Bi214(0.35 2)
Bi-2 14(0 .769)
Bi-214(0.609)
Bi-214(1.120 ) Bi-214(1.2 38) Bi-2 14(1 .378) Bi-21 4(1. 40)
电子对线吸收系数，用符号κ表达
h 4Mev, C1Z 2 (E 1.02)
h 4Mev, C2Z 2 ln E
以符号μ代表它们的总和几率 单位距离上γ 光子作用的几率
τ dI / I
dx
m
原子截面
电子截面
对于一束γ 光子来说，发生三种效应的比例不同， 与不同的物质作用的比例不同，与入射γ 光子的能 量，介质的质量数密切相关，一般，中能无论与原 子序数大或小的物质作用，主要是康普顿吴有训效 应；低能与重物质作用主要为光电作用，高能与重 物质主要是形成电子对作用。
几个描述电离作用的物理量
a)电离比度：带电粒子在单位路程上形成的离子 对数，单位：对/cm，对/mm
b)平均电离能ε ：带电粒子形成一对离子平均消 耗的能量 E
N
c)电离损耗率：带电粒子在单位路程上的能量损 耗称电离损耗率。它与电离比度成正比，比例系 数就是平均电离能，写成关系式为：
物理意义：表明介质的阻止本领
R
10D1/ 2
10 ln 2
10 0.693
m
6.93 (m) 69(cm) 9.09
(
m
,
m
)
(当Er 3MeV时， mAl 0.035cm2 / g，而Al 2.7g / cm3)
由于常以铝作为造岩元素的代表，所以这实际计算的就是 γ法的探测深度。
K 13.6 (Z 1)2 L 3.4 (Z 5)2 M 1.51 (Z 13)2
τ表示的光电线吸收系数 描写人射光子在介质中发生光电效应的几率
τ
0.0089
Z A
4.1
n
,
z z
5 6, n 11 26, n
3.05 2.85
Z为原子序数，E为能量，N为单位体积介质中
原子数,m0为入射粒子的质量
上式与m0成反比，m0越大，越不易发生轫致辐射，所以α粒 子不易发生轫致辐射， α粒子的轫致辐射仅是β粒子的 1.8×10-8倍，故一般不考虑α的轫致辐射。
对于β粒子其电离和轫致辐射损耗率公式：
(
dE dX
)电离
2 e4 NZ
x
h
dx
dI I0dxex I
h 0
I
0
dxe
x
I0
(1 eh )
①当 h 很小时， h 也很小， eh 1 h
表示β射线计数率随厚度增大线性地增加。
I I0 h 薄层
②当 h 很大时， h也很大，
eh 0
I
I0
有效吸收系数
x
ln(I / I0 ) d
I I0exd或
x d
I I0e
I exmdm 0
d
I QI0e ,Q 1.64
I/I0
ρ d(g/cm2)
五、γ射线射程 R
R 10 D1 2
例：试计算能量为3.0MeV的γ射线，需要多厚的铝板将 其完全吸收掉？
相对强度
Pb-2 12(0 .239) Ac-228 (0. 338) Tl - 208( 0.511)
Tl-208 (0. 583) Bi-212(0.7 27)