辐射与物质的相互作用课件.ppt

1、12主要内容 0、微观粒子的基本性质、微观粒子的基本性质 1、辐射与物质相互作用概述、辐射与物质相互作用概述 2、重带电粒子与物质的相互作用、重带电粒子与物质的相互作用 3、快电子与物质的相互作用、快电子与物质的相互作用 4、电磁辐射与物质的相互作用、电磁辐射与物质的相互作用 5、其他、其他3一、粒子的分类及主要性质一、粒子的分类及主要性质 按粒子参与相互作用的情况来分类按粒子参与相互作用的情况来分类强子强子参与强相互作用的粒子参与强相互作用的粒子 重子重子自旋为自旋为1/21/2和半整数的强子，是费米子，和半整数的强子，是费米子，服从费米狄拉克统计规律。如：质子、服从费米狄拉克统计规律。如：

2、质子、中子、各类超子。中子、各类超子。介子介子自旋为整数的强子，是玻色子，服从玻色自旋为整数的强子，是玻色子，服从玻色 爱因斯坦统计规律。如：爱因斯坦统计规律。如：，k k，轻子轻子不参与强相互作用的，自旋为不参与强相互作用的，自旋为1/21/2的粒子，的粒子，如：电子，如：电子，子，子，子，各类子，各类中微子，中微子，场量子场量子自旋为自旋为1 1，传递相互作用的粒子，传递相互作用的粒子，它们是光子，胶子，它们是光子，胶子，W W、Z Z中间玻色子。中间玻色子。6.0 微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质4一、电子一、电子 质量最轻的稳定粒子。质量最轻的稳定粒子。衰变衰变：原子核内质子和中子

3、互相转换的过程原子核内质子和中子互相转换的过程 衰变衰变 衰变衰变 轨道电子俘获轨道电子俘获EC 易俘获易俘获k层电子，称作层电子，称作k俘获，并伴随俘获，并伴随x射线发射射线发射或俄歇效应发生。或俄歇效应发生。反电子中微子反电子中微子eAZAZYX1KeVme511eAZAZYX1电子中微子电子中微子eAZAZYeX15 三个过程都涉及三个物体：三个过程都涉及三个物体：粒子、中微子和反粒子、中微子和反冲核，由于冲核，由于 衰变过程中能动量守恒，所以衰变过程中能动量守恒，所以 粒子的粒子的能量由零到最大都有，能量由零到最大都有，粒子能谱是连续谱。粒子能谱是连续谱。粒子能谱是连续谱粒子能谱是连续

4、谱6一些纯电子源一些纯电子源7 内转换电子内转换电子 能量能量从从keV keV 到到MeVMeV，为单能。，为单能。处于激发态的原处于激发态的原子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。的一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。8 俄歇电子俄歇电子 俄歇电子能量比俄歇电子能量比 粒子和内转换电子能量低。粒子和内转换电子能量低。俄歇效应与俄歇效应与x x射线发射是互相竞争的两个过程。射线发射是互相竞争的两个过程。原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外原子内壳层失去一个电

5、子出现一个空穴时，外壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射x x射线。若不发射射线。若不发射x x射线而将能量交给另一个壳射线而将能量交给另一个壳层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过程就是俄歇效应，打出的电子就是程就是俄歇效应，打出的电子就是俄歇电子。俄歇电子。电子加速器电子加速器 如如BESBES、LEPLEP等，加速后的电子能量可达等，加速后的电子能量可达GeVGeV量级。量级。910二、重带电粒子二、重带电粒子 质子质子 H原子核，原子核，mp=938MeV=1836me，带，带1个正电荷。个正电荷。粒子粒

6、子 He原子核，由原子核，由2个质子和个质子和2个中子组成，带个中子组成，带2个正个正电荷。电荷。衰变衰变 核裂片核裂片 重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，每个碎片向相反方向发射。是带多电荷的正离子。每个碎片向相反方向发射。是带多电荷的正离子。如如235U吸收一个慢中子裂变产生两个吸收一个慢中子裂变产生两个裂片，裂片，质量小的平质量小的平均质量数均质量数m1=96，总电荷，总电荷 Q120e；质量大的平均质量；质量大的平均质量数数m2=139，总电荷，总电荷 Q272e。重离子重离子 Z2的离子，核裂片是其中一种，存在与宇宙线的离子，核裂片是其中一

7、种，存在与宇宙线中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。)(4242HeYXAZAZ11Bi的的 衰变及衰变及Tl的能级的能级12三、三、射线和射线和x射线射线 电磁波，静止质量为电磁波，静止质量为0，具有波粒二象性。，具有波粒二象性。波长比普通光波短很多，波长比普通光波短很多，波长波长10MeV23五、放射性衰变的基本规律五、放射性衰变的基本规律1.指数衰减规律指数衰减规律 N0：t=0时刻的原子核数目时刻的原子核数目 N：t时刻的原子核数目时刻的原子核数目

8、 ：衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率teNNNdtdN0,242.核衰变的时间特性核衰变的时间特性 半衰期半衰期T1/2：放射性原子核数目衰减到一半所需的时间放射性原子核数目衰减到一半所需的时间 平均寿命平均寿命：放射性原子核数目衰减到放射性原子核数目衰减到1/e1/e所所需的时间需的时间 能级宽度能级宽度：粒子处在某一状态有一定的时间范围，粒子处在某一状态有一定的时间范围，处在该状态的平均时间称为寿命，或称这个能级有一定宽度。处在该状态的平均时间称为寿命，或称这个能级有一定宽度。2/1002/121TeNNNTt时，693.02ln2/1TeNNe

9、Nt001时，1,125l放射性活度放射性活度 单位时间放射性物质的衰变数单位时间放射性物质的衰变数 l单位单位 居里（居里（CiCi）：）：3.73.710101010衰变衰变 /s/s，mCimCi，CiCi 贝可勒尔（贝可勒尔（BqBq）：）：1 1衰变衰变 /s/s，1Ci=3.71Ci=3.710101010BqBq KBq KBq，MBqMBqteANdtdNA0N N放射性核数放射性核数衰变常数衰变常数A A0 0t=0t=0时刻的放射性活度时刻的放射性活度3.放射性活度及单位放射性活度及单位26比放射性活度比放射性活度(比活度，固体适用）比活度，固体适用）放射性样品中某种放射性

10、核素的活度与样品放射性样品中某种放射性核素的活度与样品质量（或体积）之比，即单位质量的放射性质量（或体积）之比，即单位质量的放射性样品内该核素的活度。其单位是样品内该核素的活度。其单位是kBq.gkBq.g-1-1、MBq.gMBq.g-1-1等。等。放射性浓度（溶液和气体适用）放射性浓度（溶液和气体适用）对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示其中所含有的某放射性核素的量，其含意是其中所含有的某放射性核素的量，其含意是单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。其单位是其单位是Bq.LBq.L-1-1、Bq.mBq.m-

11、3-3、kBq.LkBq.L-1-1等。等。27如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核数及其质量。如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核数及其质量。例题：例题：实验用的实验用的1 Ci的的60Co源，求其质量。已知源，求其质量。已知其其T1/2=5.27年年解：其所含原子核数解：其所含原子核数 其质量其质量可见一般放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以保证衰可见一般放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以保证衰变规律的良好统计性。变规律的良好统计性。2ln2ln2/12/1AANTAMNNMmNNTNA1242/11089.8693.0360024301227.5107.32ln1TAA

12、ANgNNMmA1023121086.810022.61089.860284.射线强度射线强度 定义定义放射源在单位时间内放出某种射线的粒子放射源在单位时间内放出某种射线的粒子个数为射线强度。个数为射线强度。若某放射源每一次衰变只放出一个粒子，则该若某放射源每一次衰变只放出一个粒子，则该射线强度就等于该放射源活度。射线强度就等于该放射源活度。若某放射源每一次衰变放出几个粒子，则该射若某放射源每一次衰变放出几个粒子，则该射线强度就不等于该放射源活度。线强度就不等于该放射源活度。如：如：60Co一次衰变放出一个一次衰变放出一个 粒子，则粒子，则 射线射线的强度就是放射源活度，同时的强度就是放射源活

13、度，同时60Co 一次衰变级一次衰变级联放出联放出2个个 粒子，则粒子，则 射线的强度为放射源活射线的强度为放射源活度度的的2倍。倍。295.辐射剂量辐射剂量 描述辐射场的量。射线通过辐射场内的物体时，描述辐射场的量。射线通过辐射场内的物体时，与物体发生相互作用，把能量沉积在物体中。与物体发生相互作用，把能量沉积在物体中。吸收剂量：吸收剂量：描述辐射场内受照物体吸收能量的描述辐射场内受照物体吸收能量的剂量单位。定义：剂量单位。定义：1公斤物体质量吸收公斤物体质量吸收1焦耳的能量为焦耳的能量为1Gy。1Gy1J/kg，或或 1Gy6.241012MeV/kg，老单位是，老单位是rad，为，为1g

14、物物质吸收质吸收100尔格的能量。故尔格的能量。故1Gy100rad。等效剂量：等效剂量：辐射引起的生物效应及其严重程度辐射引起的生物效应及其严重程度不仅取决于能量沉积，还取决于辐射的种类。不仅取决于能量沉积，还取决于辐射的种类。定义：定义：WR与辐射类型及能量有关的因子，单位与辐射类型及能量有关的因子，单位1Sv=1 J/kg dEDdm.TRT RRHW D30辐射权重因子辐射权重因子辐射类型辐射类型辐射能量辐射能量WR光子光子电子和介子电子和介子中子中子质子（反冲质子除外）质子（反冲质子除外）粒子、裂变碎片、重核粒子、裂变碎片、重核所有能量所有能量所有能量所有能量100keV2MeV2M

15、eV-20MeV20MeV2MeV1151020105520316.1 概述概述1、什么是射线？、什么是射线？，指的是如指的是如X/射线射线、射线射线、射线射线、中子中子等，本质都是等，本质都是辐射粒子。辐射粒子。射线射线与与物质物质是是，也是，也是。本课程讨论对象为本课程讨论对象为(Ionizing Radiation)，辐射能量辐射能量大于大于10eV量级量级。即可。即可使探测介质的原子发生电离的最低能量。使探测介质的原子发生电离的最低能量。322 2、射线与物质相互作用的分类、射线与物质相互作用的分类 Particulate Radiations RadiationsHeavy char

16、ged particlesNeutronsFast electronsX-rays and raysfTdp,e 33+Alpha-+分类分类:Electrons,PositronsHeavy Charged ParticlesInteract with:Atomic electronsInteraction Mechanisms:Ionize and Excite Atomic ElectronsBremsstrahlung带电粒子的相互作用带电粒子的相互作用NucleiAtomic electrons343 3、弹性碰撞、弹性碰撞与与非弹性碰撞非弹性碰撞222211112222mvMVmv

17、MVE 0 E弹性碰撞弹性碰撞（即动能守恒）（即动能守恒）0 E非弹性碰撞非弹性碰撞（即动能不守恒）（即动能不守恒）0 E为为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞，如入射粒子与，如入射粒子与处于基态的原子碰撞，且使其激发；处于基态的原子碰撞，且使其激发；0 E为为第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞，如入射粒子与，如入射粒子与处于激发态的原子碰撞，且使其退激处于激发态的原子碰撞，且使其退激 碰撞前总动能碰撞前总动能碰撞后总动能碰撞后总动能内能项内能项 354 4、带电粒子在靶物质中的慢化、带电粒子在靶物质中的慢化 入射带电粒子入射带电粒子通过所带通过所带与原子中与原子中核外电子核外电子、原子核原子核发

18、生发生。入射带电粒子在相互作用过程中入射带电粒子在相互作用过程中逐渐逐渐损失能量损失能量而而减慢速度减慢速度。例如：例如：在入射带电粒子与电子的一次碰撞中，在入射带电粒子与电子的一次碰撞中，电子能获得的最大能量：电子能获得的最大能量：00204max()m MEEmM 当为质子入射时：当为质子入射时：max01500EE 36 载能带电粒子在靶物质中的载能带电粒子在靶物质中的，可分为可分为四种四种，其中前两种是主要的：，其中前两种是主要的：(a)(a)带电粒子与靶物质原带电粒子与靶物质原子中子中的的非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程。(b)(b)带电粒子与带电粒子与的的非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程。

19、(c)(c)核碰撞损失带电粒子与核碰撞损失带电粒子与靶原子靶原子核的核的弹性碰撞弹性碰撞。(d)(d)带电粒子与带电粒子与核外电子核外电子弹性碰撞弹性碰撞。37(1)(1)与核外电子的非弹性碰撞过程与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过，使电子获得能量而引起，使电子获得能量而引起原子的原子的或或。电离电离使核外层电子使核外层电子克克服束缚成为服束缚成为，原，原子成为子成为。激发激发使核外层电子由使核外层电子由低低能级能级跃迁到跃迁到高能级高能级而使原子而使原子处于处于激发状态激发状态，。38 当当入射带电粒子入射带电粒子与与核外电子核外

20、电子发生发生非弹非弹性碰撞性碰撞，以使靶物质原子，以使靶物质原子电离电离或或激发激发的方的方式而损失其能量，则称为式而损失其能量，则称为。是带电粒子在物质中是带电粒子在物质中损失动损失动能的能的。39(2)(2)、与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与入射带电粒子与原子核原子核之间的之间的库仑力作用库仑力作用，使入射带电粒子的使入射带电粒子的速度速度和和方向方向发生变化，伴随着发生变化，伴随着发射发射电磁辐射电磁辐射Bremsstrahlung。当当入射带电粒子入射带电粒子与与原子核原子核发生发生非弹非弹性碰撞性碰撞时，以时，以辐射光子辐射光子的形式损失其的形式损失其

21、能量，称为能量，称为。粒子粒子与物质相互作用时，与物质相互作用时，是其是其重要的一种能量损失方式重要的一种能量损失方式。40(3)(3)、核碰撞损失、核碰撞损失带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 带电粒子带电粒子与与靶原子核的库仑场靶原子核的库仑场作用而发作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的原子核的总动能不变总动能不变，即入射粒子，即入射粒子既不辐射既不辐射光子光子，也不激发原子核也不激发原子核，但入射粒子受到偏，但入射粒子受到偏转，其转，其运动方向改变运动方向改变。弹性碰撞过程中弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原，

22、为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，子核之间的能量和动量守恒，入射粒子入射粒子损损失一部分动能失一部分动能使使。碰撞后，绝。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。向被偏转。41 只是在入射带电粒只是在入射带电粒子子能量很低能量很低或或低速重离子低速重离子入射时，对粒入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对子能量损失的贡献才是重要的。但对电电子却是引起反散射的主要过程子却是引起反散射的主要过程。这种由入射带电粒子与靶原子核发这种由入射带电粒子与靶原子核发生生弹性碰撞弹性碰撞引起引起入射粒子的能量损失入射粒子的能量损失称称为为，我们

23、把原子核对入，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为射粒子的阻止作用称为。42(4)(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞、带电粒子与核外电子的弹性碰撞 受受核外电子核外电子的库仑力作用，入射粒子的库仑力作用，入射粒子改改变运动方向变运动方向。同样为。同样为满足能量和动量守恒满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转能量的转移很小移很小，比比原子中电子的原子中电子的最低激发能还小最低激发能还小，原子的能量状态没有变化。实际上，这是原子的能量状态没有变化。实际上，这是入入射粒子与整个靶原子的相互作用射粒子与整个靶原子的相互作用。这种相互作用方式只是在这种

24、相互作用方式只是在极低能量极低能量(100eV)的的 粒子粒子时方需考虑时方需考虑,其它情况下其它情况下完全可以忽略掉。完全可以忽略掉。436.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用1、重带电粒子与物质相互作用的特点、重带电粒子与物质相互作用的特点l 重带电粒子重带电粒子均为均为的的；l 重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过而损失能而损失能量，同时使介质原子量，同时使介质原子；l 重带电粒子在介质中的重带电粒子在介质中的近似为近似为。Interaction of Heavy Charged Particles442、重带电粒子在物质中的能量损失规律、重带电粒子在物质中的能量损

25、失规律1)能量损失率能量损失率(Specific Energy Loss)指指单位路径单位路径上引起的上引起的能量损失能量损失，又称为，又称为或或(Stopping Power)。按能量损失作用的不同，能量损失率主要按能量损失作用的不同，能量损失率主要分为分为“”和和“”。ddESx radionSSS ddddionradEExx 45 对对重带电粒子重带电粒子，辐射能量损失率辐射能量损失率相对相对小的小的多多，因此，因此重带电粒子重带电粒子的的能量损失率能量损失率就就约等于约等于其其电离能量损失率电离能量损失率。ddionionESSx 2)Bethe 公式公式(Bethe formula

26、)BetheBethe公式是描写公式是描写电离能量损失率电离能量损失率Sion与与带电粒子速度带电粒子速度v、电荷电荷z 以及以及作用物质属作用物质属性性等关系的经典公式。等关系的经典公式。46BetheBethe公式的推导公式的推导(1)(1)物质原子的物质原子的电子电子可看成是可看成是自由的自由的。(入射粒子的动能远大于电子的结合能入射粒子的动能远大于电子的结合能)(2)(2)物质原子的物质原子的电子电子可看成是可看成是静止的静止的。(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度)(3)(3)碰撞后碰撞后入射粒子仍按原方向运动入射粒子仍按原方向运动。(碰撞中

27、入射粒子传给电子的能量比其自身能碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小得多量小得多,入射粒子方向几乎不变入射粒子方向几乎不变)公式推导的简化条件公式推导的简化条件：(4)(4)入射粒子的电荷状态入射粒子的电荷状态是是确定的确定的。47zeM,fxfyfr vbx先看，先看，重带电粒子重带电粒子与与单个电子单个电子的碰撞情况：的碰撞情况：电子电子受到的受到的库仑力库仑力：222001144()zeezefrr em,0该作用过程的时间为该作用过程的时间为：在在 时间内，带电粒子传给电子的动量时间内，带电粒子传给电子的动量 为：为：dtdPddPft 整个作用过程中整个作用过程中，传给电子的，

28、传给电子的总动量总动量为：为：dPft 048zeM,em,0fxfyfr vbx在在x方向方向，电子获得的动量为：，电子获得的动量为：因此因此，有：，有：dyyPPft dxxPft 0 23014sinybze bfffrr 23014dyze bPPtr ddxvt ddxtv 2233001144ddyze bxze bxPPrvvr 049222 3 2014/d()ze bxPvxb 由于：由于：2/122)(bxr 所以：所以：3221d()xxb 22332cosdcosbb 2ddcosbx 22/cosxbb tgxb 令：令：则：则：2221cos db 22b 5020

29、124zePbv 碰撞参量碰撞参量为为b时，时，单个电子单个电子所得所得动量动量为：为：碰撞参量碰撞参量为为b时，时，单个电子单个电子所得的所得的动能动能为：为：2222400201224bPeEmm v bz 再看，再看，dx距离内碰撞参量距离内碰撞参量为为b的的电子电子数数为：为：dxbdbVZN 2(dd)N Zbbx 在在dx距离内距离内,碰撞参量碰撞参量为为b的电子得到的的电子得到的总动能总动能为：为：2224001424d(d)ddddb bbbzveEbbx NZEbxNZmb 51则，在则，在dx距离内距离内,物质中物质中所有电子所有电子得到的得到的(也就是也就是入射粒子入射粒

30、子在在dx距离内距离内损失的动能损失的动能)为：为：224002144maxmaxminmind(d)(d)ddbbionb bbbbz eEExbmNZv b 224020144maxmindddbbionNEebxmbZzv 242020144maxminlnbembzZvN 显然，显然，maxbminb不能为不能为“”，也不能为也不能为“0 0”，否则否则(-dE/dx)将为将为，是不合理的，是不合理的！maxbminb和和 该如何取值呢？该如何取值呢？52可以容易知道，可以容易知道，对应电子获得对应电子获得最大能量最大能量的的情况，按情况，按经典碰撞理论经典碰撞理论，重粒子与电子，重粒

31、子与电子对心碰对心碰撞撞时，电子将获得最大动能，约为时，电子将获得最大动能，约为 。其其中中 为电子的静止质量，为电子的静止质量，为入射带电粒子的为入射带电粒子的速度。速度。minb202vm2242200124bz eEm v b 根据：根据：min202bbvm 220014minzebm v 对于对于4MeV的的入射入射粒子粒子2min200214ebm v01/2.2MeV fmMe84V8mm2.880.5114371/2MeV f28.mMe4V122.63 10m53 对应电子获得对应电子获得最小能量最小能量的情况，可以由的情况，可以由电子电子在原子中的结合能在原子中的结合能来考

32、虑。入射粒子传给电子的来考虑。入射粒子传给电子的能量能量必须大于必须大于原子的激发能原子的激发能，才能使其，才能使其激发激发或或电电离离，否则将不起作用。也就是说，否则将不起作用。也就是说，电子电子只能从入只能从入射粒子处接受大于原子激发能射粒子处接受大于原子激发能 的能量的能量。maxbI2242200124bz eEm v b maxbbI 1 2200124/maxzebvm I 根据：根据：对于对于4MeV的入射的入射粒子粒子设设I=10eV1/22max00211422ebm v I10/22024MeV 1140eVemm1/20.511(4MeV 10eV)372.88MeV f

33、m28.4113.89 10m54代入代入maxbminb和和 ，可得到，可得到电离能量损失率电离能量损失率为：为：024022144maxmindlndionzNZbEexmbv 对：对：221 22440000022222141444/dlndionm vEeexmINZNzzmvBv21 202/lnZImBv按按量子理论量子理论推导出的公式推导出的公式(非相对论非相对论)也可以表示为也可以表示为只是：只是：022lnvImZB55 考虑考虑相对论相对论与与其他修正因子其他修正因子，可得到，可得到重带重带电粒子电粒子的精确表达式，称为的精确表达式，称为Bethe公式公式：24002214

34、4ddionzvxmBeNE 22222021lnlnZImBccvvv 其中：其中：m0为电子静止质量为电子静止质量563)Bethe 公式公式的讨论的讨论224002144ddionionzmvEeSxNB (2)(2)、与与带电粒子带电粒子的的电荷数电荷数z的关系；的关系；2ionSz(1)(1)、与带电粒子的与带电粒子的质量质量M无关无关，而仅与其，而仅与其 和和 有关有关。ionS(3)(3)、与与带电粒子带电粒子的的速度速度v的关系：的关系：ionS非相对论非相对论情况下，情况下，B随随v变化缓慢，近似与变化缓慢，近似与v无关，则：无关，则：21ionSv E1(4)(4)、，吸收

35、材料吸收材料密度大密度大，原子序数原子序数高高的，其阻止本领大。的，其阻止本领大。ionSNZ 57 Sion与与v2的关系的关系 b:v2较小，非相对论情况，较小，非相对论情况，S 1/v2；c:v2较大，相对论情况，较大，相对论情况，对数项增大，对数项增大，S上升上升；a:v2很小，很小，内层电子无贡献，电荷交换效应内层电子无贡献，电荷交换效应。58 一些粒子在一些粒子在空气中的空气中的比能比能损失损失与其与其能量能量的关系。的关系。59 一些粒一些粒子在物质子在物质中的中的比能比能损失损失与其与其能量能量的关的关系。系。604)Bragg曲线与能量歧离曲线与能量歧离 Bragg Brag

36、g曲线：曲线：带电粒子的带电粒子的能量损失能量损失率沿其径迹的变化曲线率沿其径迹的变化曲线。61 能量歧离能量歧离(Energy Straggling)：单能粒单能粒子束子束穿过一定厚度的物质后，将穿过一定厚度的物质后，将不再是单不再是单能的能的，而发生了，而发生了能量的离散能量的离散。能量歧离能量歧离是由是由微观上微观上能量损失是能量损失是一个随机过程一个随机过程所决所决定的。定的。621)重带电粒子径迹的特征重带电粒子径迹的特征相同速度的和粒子在水中的计算径迹片断：是指带电粒子在穿是指带电粒子在穿透介质时产生的电子透介质时产生的电子-离离子对子对中中的的具有足够的具有足够的能量而可引起进一

37、步电离能量而可引起进一步电离的电子的电子。比电离比电离(specific Ionization)：是指带电粒子在穿透是指带电粒子在穿透单位单位距离距离介质时产生的介质时产生的离子对离子对的平均数的平均数。p3、重带电粒子在物质中的射程、重带电粒子在物质中的射程632)2)射程射程(Range)的定义的定义 带电粒子带电粒子沿入射方向沿入射方向所行径的所行径的最大距离最大距离，称为入射粒子称为入射粒子在该物质中在该物质中的的射程射程R。入射粒子在物质中行径的入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度实际轨迹的长度称作称作路程路程(Path)。路程路程 射程射程 重带电粒子重带电粒子的的质量大质量大，与

38、物质原子相互作，与物质原子相互作用时，其用时，其运动方向几乎不变运动方向几乎不变。因此，。因此，重带电粒重带电粒子子的的射程与其路程相近射程与其路程相近。64若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：000001ddddd(d/d)REEERxxEEEx 0220024044dEm vREz e NB 非相对论情况：非相对论情况：221MvE ddEMv v 03200242004d42lnvm MvRvz e NZm vI 65由于：由于：ANNA 03200224004d24lnvAm MAvRvm vz e NZI 02300240024d24lnv

39、AMzmvRvm vZe NAI 02300240024d24lnvAmvRvm ve NIAMzZ 662 2、不同粒子不同粒子以以相同速度相同速度，入射在，入射在同一物质同一物质中，中，2MRz 几点讨论：几点讨论：例：例：p、以以相同速度相同速度入射在入射在同种物质同种物质中，中，M/z2均为均为1，它们的，它们的射程相等射程相等。1 1、同种粒子同种粒子以以相同速度相同速度，入射在，入射在不同物质不同物质中，中，如果如果Z比较接近比较接近，ARZ ARZ 02300240024d24lnvAMzmvRvm vZe NAI 常数常数67射程往往通过实验测定射程往往通过实验测定：探测器探测

40、器源源0/II15.0 xmReRx平均射程平均射程外推射程外推射程 入射粒子能量高入射粒子能量高，其射程长其射程长；反之则；反之则短。在短。在某种物质中某种物质中，确定的，确定的入射重带电粒入射重带电粒子子的的射程射程与与粒子能量粒子能量之间存在着之间存在着确定的关确定的关系系，常以，常以曲线的形式曲线的形式给出。给出。0II68 空气空气中，中，粒子的粒子的射程能量射程能量关系曲线。关系曲线。1 500 318.(cm)RE E为为 粒子粒子能量，单位为能量，单位为MeV。公式适用范围：公式适用范围：37 MeV4MeV的的 粒子在空气中射程是多少粒子在空气中射程是多少?1 51 500

41、3180 318 42 5.(cm).cmRE 在15C和760mmHg压力下粒子在空气中的射程能量关系曲线69 在在硅硅中，各种带电粒子的中，各种带电粒子的射程射程能量能量关系曲线。关系曲线。具有具有的的:质子质子氘核氘核氚核氚核 粒子粒子在同一物质中在同一物质中的关系？的关系？22221234:1:2:3:111122MRz 700/II15.0tmReR3)3)射程歧离射程歧离 由于微观上由于微观上带电粒子与物质相互作用损失能量带电粒子与物质相互作用损失能量是一个是一个(指单位距离引起电离或激发的次数以指单位距离引起电离或激发的次数以及每次损失的能量是随机的，但损失能量是必然的及每次损失

42、的能量是随机的，但损失能量是必然的)，因此单能粒子束中各粒子的射程是因此单能粒子束中各粒子的射程是，称为，称为。对对图中曲线图中曲线进行进行微分微分，得到一峰状分布，其，得到一峰状分布，其宽度宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离射程歧离。714)4)相同能量相同能量的的同一种粒子同一种粒子在在不同吸收物质不同吸收物质中中射程之间的关系射程之间的关系 如果没有如果没有某种某种组合的比组合的比能损失，该怎么求粒子在其中的射程？能损失，该怎么求粒子在其中的射程？假设不同原子的假设不同原子的是是的。分子的。分子的阻止本领等于各原子的阻止本领的和。的阻止本领等于各

43、原子的阻止本领的和。在物质中，单位面积有一个分子与单位面积在物质中，单位面积有一个分子与单位面积所有组成该分子的各原子等价。所有组成该分子的各原子等价。1ddENx 电离阻止截面电离阻止截面：入射带电粒子穿过入射带电粒子穿过单位面积只有一个单位面积只有一个原子原子(分子分子)的物质的物质时损失的能量。时损失的能量。2eV cm 单位：单位：7211ddddiiciciEEnNxNx 1ddccENx 入射带电粒子穿过入射带电粒子穿过单位面积只有一个分子单位面积只有一个分子的物质时的物质时损失的能量。损失的能量。1ddiiiEnNx 入射带电粒子穿过入射带电粒子穿过单位面积只有一个原子单位面积只

44、有一个原子的物质时的物质时损失的能量。损失的能量。1ddiiENx 入射带电粒子穿过入射带电粒子穿过单位面积有单位面积有ni个原子个原子的的物质时物质时损失的能量。损失的能量。带电粒子穿过单位面积有一个分子的物质时损失的能量带电粒子穿过单位面积有一个分子的物质时损失的能量等于穿过单位面积组成该分子的各原子的能量损失的叠加。等于穿过单位面积组成该分子的各原子的能量损失的叠加。化合物的分子密度化合物的分子密度化合物中的化合物中的能量损失率能量损失率分子式第分子式第i 种原子的个数种原子的个数化合物第化合物第i 种种原子的密度原子的密度第第i 种元素种元素中的能量中的能量损失率损失率73(/)ici

45、iicMn ARR 化合物的分子量化合物的分子量i元素的原子量元素的原子量化合物分子中化合物分子中i元元素的原子个数素的原子个数BraggKleeman rule:11ddddiiciciEEWNxNx i元素的原子份额元素的原子份额i元素的原子密度元素的原子密度化合物的化合物的原子密度原子密度74110010RARA010110ARAR A为相应物质的为相应物质的原子量原子量；为相应物质的为相应物质的密度密度。相同能量的同一种粒子相同能量的同一种粒子在在不同吸收物质中不同吸收物质中射程射程之间的关系之间的关系可用一可用一描述：描述：定比定律定比定律 若无法得到粒子在若无法得到粒子在某些元素某

46、些元素中的射程数据，怎中的射程数据，怎么办？么办？多种元素组成的物质的原子量怎么计算？多种元素组成的物质的原子量怎么计算？75对由多种元素组成的化合物或混合物，其对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量等效原子量为：为：kiiieffAnA1化合物或混合物中，第化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数种元素的原子百分数。对空气：对空气：80.316%2214%780 A3301 226 10.g/cm 已知已知 粒子粒子在空气中的射程在空气中的射程，可以求得，可以求得 粒子粒子在其他物质中的射在其他物质中的射程程：1413 2 10.airARR 4MeV的的 粒子在粒子在Si中的射程是

47、多少中的射程是多少?Si=2.33g/cm3，ASi=284411283 2 103 2 102 5182 33.m.airARR 765)5)同一吸收物质中同一吸收物质中不同不同重带电粒子重带电粒子的射程的射程之间的关系。之间的关系。)()(2vFzMvR 粒子初速度的单值函数粒子初速度的单值函数，对于对于，不同粒不同粒子子取相同的数值取相同的数值。22()(abbabaM zM zRR vv baMRzMRz 22定比定律定比定律入射粒子入射粒子的属性的属性776)6)阻止时间阻止时间将带电粒子将带电粒子阻止在吸收体内阻止在吸收体内所需的所需的时间时间。阻止时间阻止时间T粒子射程粒子射程R

48、粒子的平均速度粒子的平均速度v对非相对论粒子对非相对论粒子(质量质量M，动能动能E)：221MvE 222McEcMEv 22McEkckvv 78EMckcRkvRvRT22 取取k0.60.6EMRTa7102.1 单位：秒单位：秒单位：米单位：米单位：单位：u单位：单位：MeV数数MeV 粒子的粒子的阻止时间阻止时间 固体中：固体中：几个几个ps 气体中：气体中：几个几个ns4MeV的的 粒子在空气和粒子在空气和Si中的阻止时间是多少中的阻止时间是多少?空气空气Si72941.2 102.5 103 10 s4T 761241.2 1018 102.16 10s4T794、重带电粒子在薄

49、吸收体中的能量损失、重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在带电粒子在中的中的能量损失能量损失可计算为：可计算为：ddavgEEdx 简单简单测厚仪测厚仪原理：原理：0EdE0EdEEnergyRange1R2RE dEI0EdEd805、裂变碎片的能量损失、裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大很大质量质量、很大很大电荷电荷及及相当高相当高能量能量的重带电粒子。的重带电粒子。2zSion ddEx 很大，射程很短很大，射程很短随着它在吸收体内损耗能量而减小。随着它在吸收体内损耗能量而减小。减小减小816.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相

50、互作用1、快电子与物质相互作用的特点、快电子与物质相互作用的特点l 快电子快电子的的速度大；速度大；l 快电子快电子除除电离损失电离损失外，外，辐射损失辐射损失不不可忽略；可忽略；l 快电子快电子散射严重散射严重。Interaction of Fast Electrons重带电粒子重带电粒子相对相对速度小；速度小；重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过电离损失电离损失而损失能量；而损失能量；重带电粒子重带电粒子在介质中的在介质中的运动径迹运动径迹近似为近似为直线直线。822、快电子的能量损失率、快电子的能量损失率 对快电子，必须考虑对快电子，必须考虑相对论效应相对论效应时的时的和和。242002