放射性地球物理第二章-射线与物质相互作用课件.ppt
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- 放射性 地球物理 第二 射线 物质 相互作用 课件
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1、放射性地球物理 核技术与自动化工程学院核技术与自动化工程学院第二章 射线与物质相互作用第一节 带电粒子与物质相互作用第二节 伽玛射线与物质相互作用第三节 伽玛射线在物质中的衰减第四节 伽玛射线通过物质时谱成分变化第五节 伽玛射线在物质中迁移第六节 中子与物质相互作用核辐射的基本性质核辐射的基本性质1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.4865.4861010-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)u)电荷电荷(e)e)符号符号种类种类载
2、能的载能的 粒子粒子:1 有没有作用有没有作用 2 具体的作用机制是什麽具体的作用机制是什麽 3 有什麽样的规律有什麽样的规律 4 产生什麽样的结果产生什麽样的结果 核辐射与物质的基本作用核辐射与物质的基本作用 。原子原子。n n 物物 质:气体质:气体 液体液体 固体固体 包括人体包括人体 等等微观粒子间碰撞有动量和能量的传递微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用库仑作用 1 1 电离作用电离作用 2 2 电离效应电离效应作用对象:作用对象:l原子(核外电子)原子(核外电子)l原子核原子核作用方式作用方式l与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞l与原子核发生非弹性碰撞与原子核发
3、生非弹性碰撞l与原子核发生弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞l与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞l带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。的电离与激发。引起能量的电离损失。l1)电离)电离自由电子自由电子正离子正离子+库仑作用库仑作用称为电子与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞l带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。的电离与激发。引起能量的电离损失。l2)激发)激发 入射带电粒子传递给电子的
4、能量较少,不足以使电子入射带电粒子传递给电子的能量较少,不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子,但可以使原子从摆脱原子核的束缚而成为自由电子,但可以使原子从低能级状态跃迁到相对高能级状态,此时原子处于激低能级状态跃迁到相对高能级状态,此时原子处于激发状态,此过程称为激发。发状态,此过程称为激发。激发态时间短激发态时间短返回基态,即退激并发射出光子。返回基态,即退激并发射出光子。与原子核发生弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞带电粒子靠近原子核时,带电粒子靠近原子核时,由于库仑作用使入射粒子由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分化。入射粒子损失的部分
5、能量转移给原子核,绝大能量转移给原子核,绝大部分能量由入射粒子带走。部分能量由入射粒子带走。在此过程中不发射辐射。在此过程中不发射辐射。粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小,粒子质量小,运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移,运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移,形成缺陷。形成缺陷。核核库仑作用库仑作用反冲反冲与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞带电粒子靠近原子核时,带电粒子靠近原子核时,由于库仑作用使入射粒子由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变的速度和运动方向发生变化。伴随着发射电磁辐射,化。伴随
6、着发射电磁辐射,并大大减弱入射光子的能并大大减弱入射光子的能量,以辐射光子的形式损量,以辐射光子的形式损失其动能,称为辐射损失。失其动能,称为辐射损失。粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小,粒子质量小,运动状态改变大。运动状态改变大。核核库仑作用库仑作用反冲反冲与核外电子的弹性碰撞与核外电子的弹性碰撞带电粒子靠近原子时,由带电粒子靠近原子时,由于与核外电子的库仑作用于与核外电子的库仑作用使入射粒子的速度和运动使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原损失的部分能量转移给原子,在此过程种不发射辐子,在
7、此过程种不发射辐射射与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。这种作用只发生在极低能量的这种作用只发生在极低能量的入射粒子身上。入射粒子身上。原子原子库仑作用库仑作用反冲反冲与物质相互作用的主要形式与物质相互作用的主要形式 粒子是氦的原子核,带两粒子是氦的原子核,带两个单位正电荷,质量数为个单位正电荷,质量数为4。粒子与物质相互作用的主粒子与物质相互作用的主要形式是要形式是与与 天然核素衰变放出的天然核素衰变放出的粒子粒子能量在能量在48MeV 由于由于为重粒子,与物质散为重粒子,与物质散射作用不明显,在气体中的径迹射作用不明显,在气体
8、中的径迹是直线是直线的射程的射程 粒子的射程用平均射程代表;粒子的射程用平均射程代表;粒子是重粒子,射程涨落小。粒子是重粒子,射程涨落小。5MeV 粒子粒子1;同一物质中,同一物质中,粒子的射程与初始能量有关,能量大,粒子的射程与初始能量有关,能量大,射程长;射程长;粒子在空气中射程可以用经验公式计算:粒子在空气中射程可以用经验公式计算:2/30318.0ER天然天然粒子在空气中的射程有表可查。粒子在空气中的射程有表可查。的射程的射程 粒子在其他物质中射程可以用它在空气粒子在其他物质中射程可以用它在空气中的射程,采用布喇格克利曼经验公式计算:中的射程,采用布喇格克利曼经验公式计算:04102.
9、3RARmmmiiimiiimAnAnA11ni原子量为原子量为Ai的元的元素所占百分比。素所占百分比。的射程的射程 粒子在空气中的射程最大为粒子在空气中的射程最大为8.62cm(212Po,能量能量8.785MeV)。)。7、相同能量的、相同能量的粒子在不同物质中的射程不同。粒子在不同物质中的射程不同。8、粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分 之一。实际上一张纸就可以完全挡住之一。实际上一张纸就可以完全挡住粒子。粒子。1 1 MeV MeV 的粒子穿透物质能力的粒子穿透物质能力 1 1 页页 60 60页页/本本 铅铅地地 下下1-2 1-2
10、米深米深铅室铅室n n45804580本本中子源中子源射线穿透物质能力射线穿透物质能力 射线穿透射线穿透 人体皮肤情况人体皮肤情况 与核外电子的作用与核外电子的作用粒子产生的电离粒子产生的电离由由粒子与原子壳层电子直接作用形成的电离粒子与原子壳层电子直接作用形成的电离每产生一对离子(包括原电离与次级电离)每产生一对离子(包括原电离与次级电离)粒子所损耗的平均能量。粒子所损耗的平均能量。NEW+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-与核外电子的作用与核外电子的作用单位距离上单位距离上粒子作用所产生的粒子作用所产生的粒子速
11、粒子速度快,作用时间短,度快,作用时间短,比电离小;末端前,比电离小;末端前,速度慢作用时间长,速度慢作用时间长,有极大值;此后,能有极大值;此后,能量耗尽,比电离快速量耗尽,比电离快速衰减到衰减到0。比比电电离离距离距离空气中各点的比电离变化空气中各点的比电离变化带电粒子通过物质时,在单位距离上由于电带电粒子通过物质时,在单位距离上由于电WnIvmvmNzZedXdE22202024)1(2ln4电离m0,e电子的静止质量与电荷;z,v粒子的电荷数与速度;v/c,c光速;Z介质的原子序数;N介质单位体积(1cm3)内的原子数目;I吸收介质原子的平均电离电位;W平均电离能;n电离比度;WnIv
12、mvmNzZedXdE22202024)1(2ln4电离v2v22讨论:讨论:电离)(dXdE1与核外电子的作用与核外电子的作用粒子与核作用形式:粒子与核作用形式:;。粒子与核库仑场作用而改变方向;粒子与核库仑场作用而改变方向;射线完成的著名的核反应:射线完成的著名的核反应:MeVnCBe901.51012642942 2)世界上第一个制造的人工放射性核素)世界上第一个制造的人工放射性核素约里奥约里奥.居里夫妇居里夫妇 1934 1934 年年 2727Al+Al+4 4He He 3030P +nP +n3030Si+eSi+e+提供许多种放射性核素提供许多种放射性核素,为研究和广为研究和广
13、泛应用开辟了广阔前景泛应用开辟了广阔前景例如:超铀元素的发现例如:超铀元素的发现 (人工制造)(人工制造)Z=92 93 94 95 96 Z=92 93 94 95 96 114 114+衰变衰变 弹核弹核 靶核靶核 反应产物反应产物 4He +14N 17O+1H+Q210210Po Po 7.68 MeV7.68 MeV开辟了人工方法变革原子核的基开辟了人工方法变革原子核的基本途径,人类能够将一种元素变本途径,人类能够将一种元素变成另一种元素,实现了中世纪成另一种元素,实现了中世纪“炼金术士们炼金术士们”的梦想的梦想3).卢瑟福进行的第一个卢瑟福进行的第一个 核反应(核反应(1919)粒
14、子与轨道电子或原子核在库仑场作用下,仅改变运粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下,仅改变运动方向,动能不变的作用过程。弹性散射是低能动方向,动能不变的作用过程。弹性散射是低能粒子粒子与物质作用的主要形式。与物质作用的主要形式。粒子,有粒子,有2)(ZP核ZP)(电子ZPP)()(电子核中等元素与重元素,原子核的散射占主要。由于由于粒子受到轨道电子粒子受到轨道电子或原子核的散射,或原子核的散射,粒子的运粒子的运动方向不断改变,因此,动方向不断改变,因此,粒粒子的运动轨迹不是一条直线,子的运动轨迹不是一条直线,而是一条不规则的折线。而是一条不规则的折线。粒子在物质中的路程,粒子在物质中的路程,比穿
15、过物质的厚度大很多,一比穿过物质的厚度大很多,一般是般是1.54倍。倍。粒子产生的直接电离约占总电离的粒子产生的直接电离约占总电离的2030;次;次级电离约占级电离约占7080;222222220204)11(81)1()112ln()1(2ln2IEvmvmNZedXdE电离m0,e电子的静止质量与电荷;z,v粒子的电荷数与速度;v/c,c光速;Z介质的原子序数;N介质单位体积(1cm3)内的原子数目;I吸收介质原子的平均电离电位;E入射电子动能;射线与射线与射线射线电离效应比较电离效应比较 射线射线 射线射线径迹径迹 粗粗 直直 细细 弯弯 电离作用强电离作用强 电离作用严重电离作用严重
16、产生离子对数目多产生离子对数目多 电离作用电离作用 Z Z1 1Z Z2 2/v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序数入射粒子原子序数 Z Z1 1 靶粒子原子序数靶粒子原子序数 v v 入射粒子速度入射粒子速度 实验结果实验结果粒子粒子径迹是一条直线径迹是一条直线 5.3 5.3 MeVMeV粒子在空气中粒子在空气中 的射程的射程3.83 3.83 cmcm电子径迹是折线电子径迹是折线高速运动的高速运动的粒子或其它带电粒子通过物质时,在核库粒子或其它带电粒子通过物质时,在核库仑场作用下,改变运动速度,伴随放出电磁辐射。仑场作用下,改变运动速度,伴随放出电磁辐射。原子核原子核讨论:讨论:3
17、42ln41371202204CmECmeZNEZdXdE辐射201mdXdE辐射2ZdXdE辐射EdXdE辐射讨论:讨论:800EZdXdEdXdE电离辐射电离辐射7.33dXdEdXdE电离辐射5dXdEdXdEPbAl电子打在荧光屏上电子打在荧光屏上产生产生X射线射线电视机显像管电视机显像管特征特征:x 射线能量连续射线能量连续 0 EMax(电子能量电子能量)电视机电视机 高压高压15 kV 电子束能量电子束能量15 keV x 射线能量射线能量 0-15 keV产生机制产生机制在核反应可以忽略的(不是太高)能量范围,带电粒子在核反应可以忽略的(不是太高)能量范围,带电粒子主要的能量损
18、失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。辐射电离dXdEdXdES辐射电离dXdEdXdES11单位:单位:J m2 kg-1正正粒子与物质的相互作用与粒子与物质的相互作用与粒子基本相同。粒子基本相同。正电子与负电子相遇发生湮正电子与负电子相遇发生湮灭,产生两个灭,产生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。e+e-+me+me-=0.511 +0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100%)粒子在物质中衰减粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。半所经过的厚度。2ln21210DII时,粒子经过粒子经过10倍
19、半吸收厚度,剩余倍半吸收厚度,剩余1/1024。小。小 于于1/1000,故将,故将10倍半吸收厚度定义为倍半吸收厚度定义为粒子粒子 的射程。的射程。射程单位:射程单位:cm,g/cm2粒子射程可以用以下经验公式粒子射程可以用以下经验公式 MeVEMeVERnE5.201.0412.00)/(0954.0625.100MeVEER5.2106.0530.000 I(d)=I0 e-d MeVEMeV41.00当14.107.1Em射线是什么射线是什么 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高 大大能量低能量低E=h ,=c/电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高E=h ,=c/大大能量低能量低电
20、离辐射电离辐射 直接或间接使介质发生电离直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线效应的带电或不带电的射线或粒子或粒子 (能量能量 keV)keV)、x x、n n、p p、裂变碎片裂变碎片 介子等介子等 来来 源源 1)1)放射性物质放射性物质(人造人造 天然)天然)2)2)加速器加速器3)3)反应堆反应堆 4)4)宇宙射线宇宙射线 5)5)地球环境地球环境 电离辐射和非电离辐射电离辐射和非电离辐射 非电离辐射非电离辐射 紫外线、红外线、微波等紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生作用但都不能使物质发生电离效应生电离效应 eV eV
21、量级量级移动电话移动电话 800-1800 800-1800 MHzMHz 0.01 eV 0.01 eV (没有电离作用)没有电离作用)射线是波长很短能量高的电磁辐射射线是波长很短能量高的电磁辐射 (10-11 米,米,keV,MeV),),来自原子核来自原子核衰变衰变,不带电,不带电,静止质量静止质量 0 。能够同物质原子发生作用,但不能直接使原子能够同物质原子发生作用,但不能直接使原子 电离;电离;有动量和能量交换有动量和能量交换,能够产生载能次级能够产生载能次级 带电粒子,带电粒子,可以对物质发生电离作用。可以对物质发生电离作用。能量能量 E=h 动量动量 p=h/c2 2 射线对物质
22、的电离射线对物质的电离作用作用 两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为成为自由电子,光子本身消失了。自由电子,光子本身消失了。+A A*+e-(光电子)光电子)原子原子 A +X 射线射线自由电
23、子自由电子原子原子受激原子受激原子1)入射)入射光子的全部能量转移给靶原子,其中一部分能光子的全部能量转移给靶原子,其中一部分能量消耗在使壳层电子脱离原子核的束缚所需要的电离能;量消耗在使壳层电子脱离原子核的束缚所需要的电离能;另一部分转化为出射光电子的动能,还有一小部分用于另一部分转化为出射光电子的动能,还有一小部分用于靶原子核反冲。可见,入射靶原子核反冲。可见,入射光子的能量必须大于壳层光子的能量必须大于壳层电子结合能,才能发生光电效应。电子结合能,才能发生光电效应。2)光子与自由电子不能发生光电效应,这是由动量守光子与自由电子不能发生光电效应,这是由动量守恒的要求决定的。只有原子核参加反
24、应,才能满足动量恒的要求决定的。只有原子核参加反应,才能满足动量守恒。守恒。3)理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而)理论上靶原子各壳层的电子都可以吸收光子能量而发射出来成为光电子,但电子在原子中束缚得越紧,就发射出来成为光电子,但电子在原子中束缚得越紧,就越容易使原子核参加相互作用过程,发生光电效应得几越容易使原子核参加相互作用过程,发生光电效应得几率就越大,所以,率就越大,所以,K层电子发生光电效应几率最大、层电子发生光电效应几率最大、L层次之、层次之、M层更小层更小。实际上,。实际上,80得光电效应发生在得光电效应发生在与与K层电子得作用上。层电子得作用上。4)光电效应伴随着特征
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