5 射线与物质的相互作用(中子)
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
于中子和物质的主要相互作用形式
于中子和物质的主要相互作用形式引言：中子是构成原子核的基本粒子之一，它与物质之间的相互作用对于我们理解原子核结构和核反应过程具有重要意义。
在本文中，我们将探讨中子与物质的主要相互作用形式，包括散射、吸收、俘获和衰变等。
一、散射：中子与物质相互作用的重要过程是散射。
当中子与物质中的原子核或电子发生碰撞时，会发生散射现象。
这种散射可以是弹性散射，也可以是非弹性散射。
弹性散射是指中子在碰撞过程中能量和动量得到保持的散射，而非弹性散射则是指中子在碰撞过程中能量和动量发生改变的散射。
通过测量散射角度和能量变化，我们可以了解中子与物质相互作用的特性和物质的结构。
二、吸收：中子与物质相互作用的另一个重要过程是吸收。
当中子与物质中的原子核或电子发生碰撞后，中子可能被物质吸收。
这种吸收过程会导致中子能量的损失，并促使物质发生相应的变化。
吸收截面是描述中子被物质吸收的概率的物理量，它与中子的能量、物质的原子核密度和截面积等因素有关。
通过测量吸收截面，我们可以研究中子与物质的相互作用机制和物质的性质。
三、俘获：中子与物质相互作用的另一种形式是俘获。
在一些特殊的情况下，中子与物质中的原子核发生碰撞后，会被原子核俘获，并形成新的核素。
这种俘获过程可以是弹性俘获，也可以是非弹性俘获。
弹性俘获是指中子在被原子核俘获后，形成的新核素与原来的核素具有相同的能量和动量，而非弹性俘获则是指中子在被原子核俘获后，形成的新核素与原来的核素具有不同的能量和动量。
通过研究中子俘获过程，我们可以了解原子核的结构和核反应的机制。
四、衰变：中子与物质相互作用的另一个重要过程是衰变。
当中子与物质中的原子核发生碰撞后，原子核可能发生衰变，变成其他的核素。
这种衰变过程可以是放射性衰变，也可以是非放射性衰变。
放射性衰变是指原子核在衰变过程中放出α粒子、β粒子或γ射线等，而非放射性衰变则是指原子核在衰变过程中不放射任何粒子或射线。
通过研究中子与物质的衰变过程，我们可以了解原子核的不稳定性和核反应的特性。
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。
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。
辐射探测学复习要点
辐射探测学复习要点辐射探测学复习要点第⼀章辐射与物质的相互作⽤（含中⼦探测⼀章）1.什么是射线？由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒⼦或光⼦束流。
2.射线与物质作⽤的分类有哪些？重带电粒⼦、快电⼦、电磁辐射（γ射线与X射线）、中⼦与物质的相互作⽤3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻⽌时间、反散射、正电⼦湮没、γ光⼦与物质的三种作⽤电离损失：对重带电粒⼦，辐射能量损失率相⽐⼩的多，因此重带电粒⼦的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
辐射损失：快电⼦除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒⼦静⽌质量m 的平⽅成反⽐。
所以仅对电⼦才重点考虑辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射⽽损失的能量。
能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，⼜称为⽐能损失或阻⽌本领。
按能量损失作⽤的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”能量歧离(Energy Straggling)：单能粒⼦穿过⼀定厚度的物质后，将不再是单能的（对⼀组粒⼦⽽⾔），⽽发⽣了能量的离散。
电⼦的射程⽐路程⼩得多。
射程：带电粒⼦在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动⽅向所⾏径的最⼤距离称作射程，R。
实际轨迹叫做路程P。
射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒⼦与物质相互作⽤是⼀个随机过程，因⽽与能量歧离⼀样，单能粒⼦的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。
能量的损失过程是随机的。
阻⽌时间：将带电粒⼦阻⽌在吸收体内所需要的时间可由射程与平均速度来估算。
与射程成正⽐，与平均速度成反⽐。
反散射：由于电⼦质量⼩，散射的⾓度可以很⼤，多次散射，最后偏离原来的运动⽅向，电⼦沿其⼊射⽅向发⽣⼤⾓度偏转，称为反散射。
正电⼦湮没放出光⼦的过程称为湮没辐射γ光⼦与物质的三种作⽤：光电效应（吸收）、康普顿效应（散射）、电⼦对效应（产⽣）电离损失、辐射损失：P1384.中⼦与物质的相互作⽤，中⼦探测的特点、基本⽅法和基本原理中⼦本⾝不带电，主要是与原⼦核发⽣作⽤，与γ射线⼀样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原⼦核反应中产⽣的次级电离粒⼦⽽使物质电离。
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
中子与物质的相互作用
10-8 – 10-9
65Cu
31%
10-9 – 10-10
121Sb
57%
10-9 – 10-10
* 测量1小时 放射性计数100 探测效率10%
应用2：中子测井
中子—中子
中子—伽马
中子 测井
中子寿命
中子活化
利用中子与物质相互作 用的各种效应
研究钻井剖面岩层性质 的一组方法
中子-中子测井
中子源放出快中子，经过一系列碰撞而减弱到热能状态， 最后被吸收 中子的空间分布与物质的减速及吸收性质密切相关。
裂变碎片的总动能为150～170MeV，形成的脉 冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于强辐 射场内中子的测量。
热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。 如235U的热中子截面为580b。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。
一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能 发生核裂变，可用此判断中子的能量。
2 中子的分类与性质
（1）中子的分类 1) 慢中子：0～1KeV。包括冷中子、热 中子、超热中子、共振中子。
热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态， 能量为0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.
2) 中能中子：1KeV～0.5MeV。
3) 快中子：0.5MeV～10MeV。
4) 特快中子：>10MeV。
24He
01n
17.6MeV (Q-value)
Notes :
1) 1 mA D (accelerated potentiao 100~300keV) → 109n/s (D-D), 1011n/s(D-T). 2) Other neutron generators (higher energy): 9Be(d,n), 7Li(p,n), 3H(p,n)
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。
中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用
中子是一种无电荷的粒子，和物质之间的相互作用是相当重要的。
下面我们将具体讨论中子与物质之间的不同作用。
1. 中子的散射
中子与物质最常见的相互作用是散射。
中子与原子核碰撞后散射，导致其动能损失。
这种相互作用对于中子的测量和分析非常重要。
2. 中子的吸收
中子也可以被物质吸收，这种作用被称为中子吸收。
吸收后中子失去其能量，导致物质中的原子核被激发。
这种作用经常被用来确定物质中的元素配比。
3. 中子的俘获
中子俘获是一种中子与原子核反应的过程，其中中子与原子核结合成为新的原子核。
这种反应可以用于产生新的放射性同位素或用于研究一些物质的性质。
4. 中子的激发
中子还可以被用于激发原子核，这种反应称为中子激发。
在这种反应中，中子被吸收后引起原子核的能态变化。
这种相互作用对于研究原子核物理性质非常重要。
5. 中子的热化
中子与物质相互作用时可以将能量传递给物质分子，使其产生热化。
这种作用被称为中子热化，可用于冷中子源的热化和热中子源的生产。
6. 中子慢化
中子具有很高的速度，因此需要将其速度慢下来才能和物质发生相互
作用。
这种作用被称为中子慢化，可用于生产冷中子源。
综上所述，中子与物质之间的相互作用有很多，包括散射、吸收、俘获、激发、热化和慢化。
这些相互作用对于研究物质结构和性质、生
产同位素以及研究原子核性质非常重要。
【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(2)-射线与物质的相互作用解读
2 4
靶物质单 位体积的 原子数
相对 论项
壳层项： 当入射粒 子的速度 小于内层 电子的速 度时起作 用
其中：
公式
2m0v 2 v2 v2 B Z ln ln 1 2 2 c c I
（1）能量损失率：
指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领 (Stopping Power)。
dE S dx
按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率” 和“辐射能量损失率”。
S Sion Srad
12
of 88
dE dE dx ion dx rad
E
内能项
弹性碰撞（动能守恒） 非弹性碰撞（动能不守恒）
第一类非弹性碰撞
比如，入射粒子与处于基态的原子发生碰撞，使 之激发或者电离。
E 0
E 0
5
of 88
第二类非弹性碰撞
比如，入射粒子与处于激发态的原子发生碰撞， 使之退激。
4. 带电粒子在靶物质中的慢化
. . . 概 论
载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为 四种： ①电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性
3
of 88
2. 射线与物质相互作用的分类
. . . 概 论
带电粒子辐射
快电子
非带电粒子辐射
电磁辐射（X、γ）
重带电粒子
中子
4
of 88
3. 弹性碰撞与非弹性碰撞
. . . 概 论
1 2 1 1 '2 1 2 mv MV mv MV '2 E 2 2 2 2
《放射防护学》辅导(答案+翻译)
《放射防护学》辅导一、选择题1、照射量X是表征中等能量的以下哪种射线在空气中致电离能力的物理量(C ) P21A. Q、B 射线B.中子(neulron)C. X > y 射线Key words：Exposure (x) is the quantity most commonly used to express the amount of radiation (X-Ray and 丫-Ray) delivered to a point, and is a measure of radiation based on its abi1ity to produce ionization in air under standard temperature and pressure.2、除天然源照射(natural radiation)之外，人类所受的辐射照射中，不断增加的、最大人工电离辐射(Artificial radiation)照射来源是(C ) P88A.核事故(Nuclear accident)B.职业照射(Occupational exposure)C.医疗照射(Medical exposure)D.核能生产(Nuclear power production)3、对小型丫密封放射源(丫sealed radioactive source)进行防护监测时，应监测(A)A.外照射辐射水平B.外表放射污染水平C.放射源的活度4、放射工作人员受照剂量高于年剂量限值的多少时，应查明原因并采取改进措施(B ) P101+204A. 1/10 时B. 3/10 时C. 1/2 时5、医用诊断X线工作人员个人防护用品(personal protective equipment)有(C ) P186 A.X、丫巡测仪B.普通眼镜C.铅橡胶防护衣6.表征X射线的质(quality of X rays)的参数有(A ) P120管电压与半值厚层A.高电压(管电压lube voltage) B.管电流(lube current) C.时间7.公众照射(public exposure )的年剂量限值是(B ) P117A. 5mSvB. ImSv C. 20mSv二、多项选择题1、人类所受的天然辐射(exposure from natural sources )有 ABCD (P83)A.宇宙射线(Cosmic rays)B.地球丫射线外照射(丫external exposure)C.天然放射性核索内照射(氨除外)(internal exposure of radionuclide)D.氨及其衰变产物(Rn and its progeny)2、初级宇宙射线(primary cosmic rays)包括AB(P75) A.初级银河宇宙射线(primal galactic cosmic rays) B.初级太阳宇宙射线(primary solar cosmic radiation) C.辐射带(Radialion belt) 3、医疗照射(Medical exposure)包括ABCDE(P87) 七、论述题1、简述电离辐射生物效应？（biological effects of ionizing radition）1）电离辐射生物效应是指电离辐射将能量传递给人体的细胞、组织、器官所引起的功能性器质性改变。
ato-5
n 1
(1
1 n
2 2
)d
为辐射角频率
射与物质相互作用
射程
经验公式：
Rm aEm b
b Rm aEm
I I 0e t 吸收公式：
弹性散射及反散射： 正电子的能量损失和散射过程与负电子的情况基本相同， 但正电子慢化后将会与负电子发生湮灭。
射线与物质相互作用
重带电粒子与物质相互作用
射线与物质相互作用 射线与物质相互作用
中子与物质相互作用
重带电粒子与物质相互作用
重带电粒子在物质中的能量损失
重带电粒子在物质中运动时，将与原子核和核外电子
发生非弹性碰撞，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和电子碰撞 能量损失。
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。
重带电粒子与物质相互作用
电子阻止本领：（经典近似）
fx
e, m
ze 2 f 2 r p
p ft
r b fy
fdt
Ze, M, v ze 2b f y dt dt r 2
正比于入射粒子的电荷的平方和NZ 布拉格规则： Se=ASeX+BSeY
重带电粒子与物质相互作用
重带电粒子的射程
R
0
E0
E0 1 1 dE dE 0 (dE / dx) S (E)
TRIM模拟程序
射线与物质相互作用
电子的能量损失 电离损失：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10 5
16 8
B n Li He
1 0 7 3 4 2
1 0 16 7 1 1
O n N H
(n,)，(n,p)等反应在中子探测中应用很多，
2009/9/21
成为探测中子的主要手段
22
(3) 核裂变
235 92 A1 A2 1 U 01n ( 236 U ) X Y 92 0n Z1 Z2
(n,n) (n,n) (n,p) (n,α)*
(n,n) (n,n’) (n,p) (n,γ)
36
重核 A>90
2009/9/21
(n,γ) (n,n)*
(n,n) (n,γ)"
8/36
2009/9/21
共振现象
当入射中子的能量具有某些特定值，恰好 使形成的复合核激发态接近于一个量子能 级时，那么形成复合核的几率就显著地增 大。 共振吸收对反应堆内的物理过程有着很大 的影响。
2009/9/21
9/36
复合核寿命
能级宽度Γ的定义为： h 电子伏 复合核的能级宽度为Γ的激发态，其平均 寿命便等于：
2009/9/21
5/36
直接相互作用
入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞， 使某个核子从核里发射出来，而中子却留 在核内，如果从靶核里发射出来的核子是 质子，这就是直接相互作用（n，p）反应。 如果从靶核里发射出来的核子是中子，而 靶核发射γ射线，同时由激发态返回基态， 这就是直接非弹性散射过程。
电离
27
重水(2D2O)
2） 中子核反应
例如( n,p)反应 n +
14N
n
14N
→
14C
+ p
第一步 核反应产生质子
1 p 电离
14C
第二步 质子对物质产生 电离作用
2
• 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重
2009/9/21 28/36
C. 穿透力强
2009/9/21
2009/9/21
6/36
复合核的形成
（1）复合核的形成： A1 A 中子+靶核[Z X ]复合核*[Z X ] （2）复合核的分解： A1 复合核[ Z X ]反冲核+散射粒子*号表示复合核处于激发态
2009/9/21 7/36
激发态的复合核衰变或分解
（n,p）：复合核放出一个质子而衰变 ； （n,α）：复合核放出一个α粒子而衰变； 共振弹性散射或称为复合弹性散射（n,n）： 复合核放出一个中子，余核回到基态； 共振非弹性散射或者称为复合非弹性散射（n,n）： 复合核放出一个中子，余核处于激发态，再放出γ光 子回到基态； 辐射俘获 （n, γ）：复合核通过发射俘获γ射线而 衰变 核裂变（n,f）：复合核还可以通过分裂成两个较轻 的核的方式而衰变
要反应是辐射俘获反应，即（n、γ）反应
2009/9/21
33/36
结论4
④ 散射和吸收都使原子核发生某种变化，常伴随着有次 级带电粒子或γ射线的发射 因此，中子的屏蔽一般较为复杂，除考虑减弱过程 和吸收过程外，还应考虑γ射线的屏蔽
2009/9/21
34/36
核反应堆内中子与物质的作用
在反应堆内，中子的能量在0到17兆电子伏范围 内 堆内所采用的材料及裂变产物的原子核的质量数 分布在从A=1到A=242以上的范围内
2009/9/21 12/36
在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内 能没有变化，它仍保持在基态，散射前后 中子——靶核系统的动能和动量守恒，可 以把这一过程看作“弹性球”式的碰撞， 对此种过程，可根据动能和动量守恒，用 经典的方法来处理
2009/9/21
13/36
弹性散射 (n,n)
出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核
n
I
11/36
2009/9/21
1) 弹性碰撞
(elastic collision)
中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子 核，带有能量的原子核脱出原子，此原子核称反
冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继 续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电 荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物 质电离和激发
2009/9/21
23
(4) 多粒子发射
如(n，2n)，(n，np)等，这些反应的阈能 较高，在8～10MeV以上，只有特快中子才
能发生
2009/9/21
24
（二）作用特点
2009/9/21
25/36
A. 中子不与原子核外层电子发生作用
弹性散射：运动方向改变 非弹性散射：中子的一部分能量使核 激发、产生γ光子
2009/9/21 26
B、中子不带电不能直接使原子 电离但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应
1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n + H → n + p
n
n
H
第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离
n p
慢化剂:轻水(1H2O)
2009/9/21
29
（三）中子在物质中减弱过程结论
2009/9/21
30/36
结论1
①
快中子在物质中减弱包括两个过程：
快中子的慢化；慢中子的吸收。
②
快中子慢化的相互作用过程是中子与原子核的弹性碰撞和非
弹性碰撞
非弹性碰撞——能量在几个MeV以上快中子主要通过与高原子
序数的原子核发生非弹性碰撞降低能量。非弹性碰撞时入射中
3/36
势散射
它是中子波和核表面势相互作用的结果。 此情况下的中子并未进入靶核。任何能量 的中子都有可能引起这种反应。
2009/9/21
4/36
势散射作用的特点：
散射前后靶核的内能没有变化。 入射中子把它的一部分或全部动能传 给靶核，成为靶核的动能。 势散射时，中子改变了运动的方向和能量。 势散射前后中子与靶核系统的动能和动量 守恒。
中子与物质的相互作用
王德忠 教授 核科学与工程学院
2009/9/21
1/36
中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用实质上是中子与 物质的靶核的相互作用： • 表现为两个粒子的碰撞 • 中子波与核的相互作用 中子波长：
E为中子能量
2.86 10 11 E
米
注：除非对于能量非常低的中子外，在讨论中子 的运动时，把它看成为一个粒子来描述是适当的
2009/9/21
35/36
中子与各种质量数的核发生核反应的特性
热中子 0～1eV
轻核 A<30 中等核 30≤A≤90
超热中子 1eV～0.1MeV
(n,n) (n,p) (n,n) (n,γ)”
快中子 0.1MeV～ 10MeV
(n,n) (n,p) (n,α)
(n,n)
(n,n) (n,γ)
2009/9/21
14
2) 非弹性碰撞 ( inelastic collision) 概念——
快中子冲入物质原子核内，把部分能量传给原子核，使 核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发
态核从中子得到能量以光子的形式释出，原子核回到基 态，这种现象称为非弹性碰撞
A Z 1 A 1 X 01n ( A X ) ( X ) Z Z 0n
分析技术中有重要的应用
当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的 “活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的
注量率区分中子的能量范围
2009/9/21 21
(2)发射带电粒子的中子核反应(n, α)(n,p)等反应
A Z 1 1 A 3 4 X 0 n ( A X ) X Z Z 2 2 He
激发态，然后靶核通过发射γ射线又反射回到 基态。散射前后中子与靶核系统的动量守恒， 但动能不守恒
2009/9/21
17/36
非弹性碰撞
非弹性碰撞的特点——
只有入射中子的动能高于靶核的第一激发 态的能量时才能使靶核激发，即只有入射 中子的能量高于某一数值时才能发生非弹 性散射，非弹性散射具有阈能的特点
2009/9/21
18/36
３）中子俘获
中子俘获——慢中子被物质原子核俘获后， 形成稳定或不稳定的新核素的现象 常被用来生产人工放射性核素
中子俘获包括(n, γ),(n,f),(n, α)(n,p)四种类型反 应
2009/9/21 19
（1）辐射俘获 (n, γ)反应
A Z 1 1 A1 X 0 n ( A X ) Z Z X
子一部分动能转变为原子核的激发能，激发核退激时会发射γ光
子。
I.
为使原子核达到激发态，中子能量必须高于原子核的第一激发 态能量，所以发生非弹性碰撞要求中子能量大于阈值
2009/9/21
31/36
结论2
II.
对不同原子核，阈值大体在0.1-5MeV之间，原子序数高的重原子核阈值低，
这种非弹性碰撞的几率随入射中子能量增大而增大。所以高原子序数的重物 质对高能中子的慢化非常有效
238 92
1 U 0 n239 92 U
239 92
U
23 min
239 93
Np 239 94 Pu
2.3 d
2009/9/21
20
中子的辐射俘获 (n,)
中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发
射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特征 光子不同于 (n,n’) 的特征 光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命 相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核