第二章射线与物质的相互作用

第二章射线与物质的相互作用

reciprocity of Radial and matter

学时：6学时

基本内容：

①基本概念：电离、激发、射程、平均电离能、能量损失、轫致辐射、光电效应、康普顿效应、电子对效应

②基础知识：带电粒子与物质相互作用的一般过程、带电粒子与物质相互作用的一般特点、α粒子与物质的相互作用、β粒子与物质的相互作用、以及电离能量损失、光电效应、康——吴散射、形成电子对效应、核辐射对人身体的影响、剂量当量的限值、防护基本原则和防护措施

重点、难点：α、β粒子与物质的相互作用过程和特点、光电效应的结果与仪器原理的关系、康——吴散射的作用与几率分配关系、γ射线在物质中的衰减规律、1、剂量当量的限值、防护基本原则

教学思路：先介绍带电粒子与物质的相互作用，然后讲解γ射线与物质相互作用的过程

。其中，与物质相互作用过程等部分详细讲解。最后知道核辐射对人身体所产生的影响。

主要参考书：

①程业勋、王南萍等编着《核辐射场与放射性勘查》，地质出版社，2005.

②吴慧山主编《核技术勘查》，原子能出版社，1998.

③李星洪等编着《辐射防护基础》，原子能出版社，1982

复习思考题：

1、比较钋的粒子（Eα=）在空气中，铝中和铅中得射程。在空气中能量完全损耗能产生多少对离子

2、RaE的β射线谱得最大能量为，用铅屏蔽，吸收90%需要厚度（mm）是多少

3、试求ThC的γ射线通过物质发生康普顿散射，其能量损失25%，问反冲电子能量多大

4、试求ThC的γ射线（E=），通过厚度为5cm、10cm铅板时的衰减率。

5、测量γ射线的探测器与入射射线夹角成90度方向，分别使用137Cs （）和65Zn（）作放射源，分别以铝和铅作散射体，试问测得的散射相对强度如何

6、RaA 的α粒子在空气中射程是，试求在铅中射程（铝的原子质量是

A=27，密度为ρ=cm 3

）。

7、如果入射光的波长为，通过物质产生光电反应，计算在入射前进方向30度和90度方位得散射光子和反射电子的能量。

8、为什么α粒子在空气中的路径时一条直线

9、用铝片作β射线吸收实验，测得射程为 g/cm 2

，求该β射线的最大能量

10、已知γ线能量为3 MeV ，如果吸收其能量得95%，应用多厚的铅板 教学内容提要：

第一节 带电粒子与物质的相互作用 一、α 粒子与物质的相互作用

α 粒子与物质的相互作用的过程主要为电离和激发 α 粒子电离能量的损失率（-dE/dx ）

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡--+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫

⎝⎛-2

220204211ln 2ln 4ββπI v m NZ v m e z dx dE ion 能量损失率又称为物质的阻止本领。

1）能量损失率与入射α粒子的速度关系密切；速度大，能量损失率低。 2）能量损失率与NZ 成正比。

α 粒子在物质中的射程（R ）：α 粒子在物质中运动，不断损失能量。当能量殆尽， 运动终止，所穿过的最大距离。

⎰-=0

)//(E dx dE dE R

α粒子射程

对曲线A 求微分得到曲线B ，A 曲线与横坐标的交点R max 为最大射程。

二、β射线与物质的作用

β射线在物质中德主要作用过程是电离、轫致辐射和多次散射 1）电离与激发

2）轫致辐射

3）β射线的散射

4）β射线的射程和衰减

轫致辐射（又称轫致X射线）：β粒子（电子）接近原子核时，受到库仑场的作用，使速度迅速降低；一部份动能转变为电磁波（光子）；这种作用过程称为轫致辐射。

β射线的射程和衰减

实验结果表明，物质对β射线的吸收过可以近似用指数规律来表示：

d

e

I

Iμ-

=

第二节γ射线与物质相互作用

一、光电效应

γ光子产生光电效应的截面是τa

则

N

a

τ

τ=

式中：N可以由物质的密度ρ、原子质量数和阿伏加德罗常数L0求出，即

A

L

N/

⋅

=ρ

τ称为光电吸收系数，或光电吸收（效应）截面

不同γ光子能量时光电子分布

γ射线通过物质，与物质原子相碰撞，可能使全部能量传递给原子，入射的γ射线（光

子）全部消失。能量在原子中分配，使结合能适当的电子获得能量克服原子核的束缚（结合能）发射出去，并使原子受到反冲。这样的作用过程称为光电效应，发射的电子称为光

电子。

散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为弹性散射（又称相干散射）；

散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为康普顿散射（又称非相干散射）

二、康普顿效应

康普顿效应示意图

入射γ射线与原子的壳层电子相碰撞，将一部分能量传给电子，使获得的能量的电子沿γ射线入射方向成φ角射出原子之外。损失能量之后的光子成θ角方向散射出去。

如果入射γ射线能量为Eγ,散射能量为Eγˊ，反冲电子能量为E0。根据能量和动量守恒定律，三者关系为：

⎪

⎪

⎪

⎭

⎪

⎪

⎪

⎬

⎫

=

+

=

+

=

ϕ

θ

ϕ

θ

γ

γ

γ

γ

γ

sin

sin

cos

cos

/

/

/0

mv

c

E

mv

c

E

c

E

E

E

E

式中：m为反冲电子以速度v运动时具有的质量；c为光速；、、mv为γ射线、散射射线和反冲电子的动能。

三、电子对效应

当入射光子的能量大于2m0v2时，入射γ光子在库仑场作用下能量完全被吸收，电子从负能级跃迁到正能级，同时放出一对正、负电子，这就是电子对效应。