第2章辐射与物质的相互作用课件.ppt

1、1第二章 辐射与物质的相互作用2第一节 带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子的种类和物理性质二、带电粒子与物质相互作用的主要过程三、带电粒子在物质中的射程四、比电离3一、带电粒子的种类和物理性质带电粒子种类：带电粒子重带电粒子：粒子、质子、介子电子：射线、电子4二、带电粒子与物质相互作用的主要过程56+电离、激发、弹性碰撞韧致辐射、弹性碰撞7主要过程电离和激发（与核外电子的非弹性碰撞）韧致辐射（与原子核的非弹性碰撞）弹性散射（与核外电子和原子核都可能）核反应湮没辐射与契伦科夫辐射8radcolSSS总质量阻止本领碰撞阻止本领辐射阻止本领描述的量：radcoldldEdldEdldE总线阻止本领

2、碰撞阻止本领辐射阻止本领91.电离、激发和碰撞阻止本领带电粒子轨道电子库仑相互作用电离激发10碰撞阻止本领(S/)col线碰撞阻止本领 ：带电粒子在介质中每单位路径长度上电离损失的平均能量。coldldE质量碰撞阻止本领 ：线碰撞阻止本领除以密度，消除密度的影响。coldldE1dxdEdldEcoldxdE1dldE1col11重带电粒子线碰撞阻止本领公式：单位：MeV/cm z=带电粒子的电荷数；e=单位电荷，1.610-19C；m0=电子的静止质量，g；v=带电粒子的速度，cm/s；N=介质中每立方厘米的原子个数；Z=介质的原子序数；NZ=介质中每立方厘米的电子数；=相对速度，I=介质原

3、子各壳层电子的激发和电离能的平均值，ergs对空气，对其他物质，cv/式中：)1(lnIv2m(ln)106.1(vm)10NZ(3ez4dxdE22206-204942101038.1IZ1016.2I1012分析：（1）电离损失与介质的电子密度成正比；作用概率（2）电离损失与重带电粒子的速度v2成反比；作用时间（3）电离损失与重带电粒子的电荷数z2成正比，间接地体现为与质量M有关；库仑作用力（4）电离损失与重带电粒子的能量E关系复杂；22vNZzdxdE1314电子线碰撞阻止本领公式：单位：MeV/cm e=单位电荷，1.610-19C；N=介质中每立方厘米的原子个数；Z=介质的原子序数；

4、NZ=介质中每立方厘米的电子数；Em=电子质量的等效能量，0.511MeV；Ek=电子或贝他粒子的动能，MeV；：相对速度，I=介质原子各壳层电子的激发和电离能的平均值，MeV对空气，对其他物质，cv/5108.6IZ1035.1I5式中：2222km26-2m494)1(IEEln)106.1(E)10NZ(3e2dxdE15（1）电离损失与电子的能量（速度）成反比；作用时间（2）电离损失与物质的电子密度成正比；作用概率16用途举例：一个0.1MeV的电子通过标准空气时1cm可产生多少离子对？（空气每立方厘米的电子个数为3.881020，空气每产生一个离子对约需34eV）2222km26-2

5、m494)1(IEEln)106.1(E)10NZ(3e2dxdE172.韧致辐射和辐射阻止本领韧致辐射：带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁 辐射。其能量损失称为辐射损失。18192.5MeV X波段驻波加速管6MeV S波段驻波加速管屏蔽结构剖面屏蔽结构剖面20射线或电子能量转变为韧致辐射的份额射线入射厚靶：m4ZE105.3f式中：f=入射贝他粒子转换为光子的分数；Z=吸收介质的原子序数Em=贝他粒子的最大能量，MeV21电子束入射厚靶：ZE101.0f4e式中：fe=入射电子转换为光子的分数；Z=吸收介质的原子序数E=电子的能量，MeV22用途举例

6、：32P的Emax1.709MeV，在铅中，轫致辐射的份额是多少？解：32P的Emax1.709MeV，在铅（Z82）中，轫致辐射的份额为：3.510-4821.709 4.923辐射阻止本领raddldE11222221342ln4137121gcmMeVmcmcEZZmcmcEMKdldEarad123/122192183ln413721gcmMeVZZZmcmcEMKdldEaradmc2 E 137mc2Z-1/3 时：(说明略)24辐射损失在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同的电子约小107倍。NEmZzdxdE222rad其中：Z 吸收介质的原子序数；z 带电粒子的电荷数；m

7、 带电粒子的质量；E 带电粒子的能量；N 介质单位体积的原子个数。253.总质量阻止本领dldES1radcoldldEdldES11（1）E10MeV，主要是电离损失和辐射损失：（2）重带电粒子，辐射损失可以忽略26（3）电子的电离损失与辐射损失比例式中：Z物质原子序数；E电子能量274.弹性散射动能守恒、动量守恒弹性散射电磁作用原子核：单次碰撞即可大偏转，发生概率有时会大于韧致辐射原子电子：也可能发生，概率远小于原子核，约110%带电粒子28（1）重带电粒子，质量大，散射现象不明显。径迹比较直（2）电子，质量小，原子核和核外电子都会引起散射。径迹弯弯曲曲2912sin1372sin12si

8、nsin1222422242ZdvmeZd电子弹性散射的角分布，在到d 之间的散射截面：与物质的原子序数Z2成正比；与电子速度v2成反比；小角度散射的几率远大于大角度散射的几率。305.核反应高能带电粒子与原子核发生核相互作用几MeV的质子，可发生（p，n）、（p，d）；能量更高时，（p，2p）、（p，np）316.湮没辐射与契伦科夫辐射粒子与相应的反粒子发生碰撞，其质量转化为辐射。高速带电粒子束在透明介质中以高于光在该介质中的传播速度运动时，带电粒子的部分能量以蓝色光的形式辐射出来。契伦科夫辐射：条件：nCv式中：C光速；n透明介质的折射率湮没辐射：32三、带电粒子在物质中的射程1.重带电粒

9、子001EdEdldER平均射程：33在空气（0，760mmHg）中，粒子射程：R=0.56E E4MeVR=1.24E-2.62 4E8MeV式中：R射程，cm；E能量，MeV其它介质中RARm3/156.0式中：Rm介质射程，mg/cm2；R空气射程，cm34例：为了阻止210Po的能量5.3MeV的粒子，需用密度为2.7g/cm3的铝箔多厚？)/(64.695.32756.023/1cmmgRmT=0.006642.7=0.00246（cm）R=1.245.3-2.62=3.95（cm）352.电子和射线36电子和射线射程（铝中）经验公式最大能量为0.012.5MeV时，最大能量大于2.

10、5MeV时，EERln0954.0265.1412106530ER式中：E电子或射线的最大能量（MeV）；R在铝中的最大射程（mg/cm2）37例：为了不使来自90Sr-90Y的射线通过，用有机玻璃（1.18 g/cm3）需要多厚？用铝（2.7g/cm3）需要多厚？)/(1.127.2412227.2ln0954.0265.1cmgR90Sr的射线0.54MeV90Y的射线2.27MeVT=1.1/1.18=0.932（cm）T=1.1/2.7=0.41（cm）38四、比电离比电离：单位径迹长度上产生的离子对数，又称电离密度。离子对/厘米式中：表示每产生一对离子所消耗的平均能量比电离与物质原子

11、序数、粒子能量、平均电离能相关。粒子在空气中的比电离为1047104 1/cm3940平均比电离：式中：E带电粒子能量，单位eV；R射程。单位：离子对/厘米经验公式：粒子最大能量在0.052MeV时，41第二节 X、射线与物质的相互作用一、概述二、X、射线与物质的相互作用的主要过程三、X、射线与物质的相互作用的其他过程四、质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数42一、概述4344二、X、射线与物质的相互作用的主要过程1.光电效应光电子动能：EehBi（iK，L，M）45原子的光电效应截面：单位：cm2Z介质的原子序数光电效应的几率与原子序数 Z5成正比；光电效应的几率与光子能量h或h3.5成

12、反比；低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势；光电效应主要发生在K层及L层电子。第 I 阶段：（每个原子）hm0c2时，2751hZhZ154647第 II 阶段：激发态退激激发态退激特征X射线俄歇电子入射光子的能量次级电子（光电子、俄歇电子）的动能48线光电衰减系数：n光电效应截面：单位：cm-1单位：cm2原子密度：AAMNn单位：cm-32751hZ492.康普顿效应5051动能守恒、动量守恒52散射光子的能量：式中：h/mc2（1）180o时，散射光子能量最小（2）当 1时，90o，散射光子能量约为0.511MeV；180o，散射光子能量约为0.25MeV53反冲电子：能量关系：

13、角度关系：54康普顿效应的截面：KleinNishina公式：单位：cm2/电子（每个电子）)cos()cos()cos(cos)cos(Zrdd11111211112222220式中：=h/m0c2，r0=e2/m0c2=2.810-13（cm），经典电子半径，Z介质的原子序数55总截面、散射截面、吸收截面随能量变化56康普顿线衰减系数：eecn康普顿效应截面：单位：cm-1单位：cm2电子密度：AAeMZNn单位：cm-3（见前面公式）573.电子对效应原子核场：能量大于1.02MeV，发生几率大；电子场 ：能量大于2.04MeV，发生几率很小。58入射光子的能量正、负电子的动能次级电子的

14、能量正电子在快要停止下来时，与一个负电子结合发生辐射湮没，放出两个0.511MeV 光子。59电子对效应截面：贝特公式：式中：（1）电子对效应截面与Z2成正比；（2）与光子能量的对数成正比；（3）正、负电子的角分布随光子能量的增加趋向前方。（每个原子）60电子对效应线衰减系数：nk电子对效应截面：单位：cm-1单位：cm2原子密度：AAMNn单位：cm-3（见前面公式）61三、X、射线与物质的相互作用的其他过程1.相干散射光子作为电磁波具有波粒二象性；干涉现象的条件：相干光源劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象，在0.00050.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。截面与Z2成正比，并随能量

15、增大而急剧减小；低能时不可忽略，小角度散射。22)h(ZR622.光核反应光核反应：光子与原子核发生反应，有阈能。常见的光核反应：（，n）、（，p）、（，2n）及（，pn）等典型的光核反应阈能（MeV）63光核反应的特点：（1）存在阈能；（2）光核反应截面存在巨共振峰；（3）光子能量达2030MeV时，可能发生（，2n）、（，pn）、（，）反应，但截面极小；（4）所有光核反应的截面的最大值不超过康普顿效应和 电子对效应截面的5；（5）光核反应会产生中子，还可能会产生放射性核素。例如：CnC116126),(6465四、质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数1.质量衰减系数/光子在物质中穿行单

16、位距离时，平均发生总的相互作用的几率。式中：线衰减系数，cm-1；光电线衰减系数；e总康普顿线衰减系数；coh 相干散射线衰减系数；电子对线衰减系数；质量衰减系数/：线衰减系数：单位：cm-166672.质能转移系数 tr/线能量转移系数tr：穿行单位距离，光子转移为带电粒子的动能占总能量的份额。质能转移系数 tr/：cm-1cm2/g683.质能吸收系数 en/光子转移给带电粒子的能量有一部分会由于韧致辐射损失掉。质能吸收系数 en/：式中：g次级电子由于韧致辐射而损失的能量的份额6970714.混合物和化合物的质量衰减系数和质能吸收系数式中：i元素 i 的重量百分比。72第三节 中子与物质

17、的相互作用73一、非弹性散射二、弹性散射三、辐射俘获四、其他核反应74中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核相互作用中子散射弹性散射 如：快中子与轻介质非弹性散射 如：快中子与重介质吸收 辐射俘获 757677一、非弹性散射非弹性散射过程：（1）直接相互作用（10-2210-21）；（2）形成复合核（10-2010-15）；（3）靶核发出动能较低的中子；（4）靶核处于激发态；（5）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变78非弹性散射的特点：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能

18、约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏 （铀小于1MeV、氧 6MeV、氢没有非弹）（4）伴随射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）79二、弹性散射80单次碰撞后能量比：散射角c：可取0式中：E1、E2碰撞前后中子的能量；MA原子核质量；c散射夹角21min11AAMMEEc取180度时，散射中子能量最低，81多个中子与核碰撞后，平均能量损失份额：例：氢核，MA=1能量损失：（散射是各向同性的条件下）121)1(21)(EEEE211EE82快中子能量从E1降到En，所需的平均碰撞次数：每次碰撞的平均对数能量损失83三、辐射俘获 辐射俘获：（n，）反应84（1）反应截

19、面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘获截面变化很大，氙：2.65106靶，镉：19910靶，氧18只有104靶。E/1特点：85，放2.3MeV 射线，放出0.66MeV 质子HnH21),(CpnN1414),(例：86四、其它核反应1.发射带电粒子的核反应10Bn中子防护中常用镉、硼、锂作吸收剂HNnO1116710168氮16半衰期7.3秒，放、射线872.裂变反应裂变反应：（n，f）反应易裂变同位素：233U，235U，239Pu，241Pu可裂变同位素：232Th，238U，240PunXXnUA

20、zAz1010235922211放出约200MeV的能量883.多粒子发射中子能量大于810MeV时，复合核发射多个粒子（n，2n）、（n，np）892.1 一个5MeV的光子在铅屏蔽中发生电子对效应，如果产生的正负电子有相同的动能，它们在屏蔽体中能输运多远？（不考虑正电子湮没）2.2一个康普顿电子反冲方向沿原光子的入射方向，刚好被460mg/cm2的铝层屏蔽。1）计算该康普顿电子的动能。2）计算原光子的能量。作 业902.3 K-40衰变产生1.46MeV的光子，一个这样的光子连续经过两次康普顿散射，第一次散射角为30度，第二次散射角为150度。1）试计算第二次散射之后的光子能量和两次散射冲

21、电子的能量。2）如果先150度散射，后30度散射，重新计算1。912.4 如图，一个活度为3.7*1010Bq点源P-32，用一层恰好屏蔽掉所有射线的薄铅层包裹，试估算距此点源10cm处的轫致辐射能量注量率。P-32发射的粒子的最高能量为1.71MeV。认为射线的平均能量为最高能量的1/3。922.5 试估计2.5MeV的快中子在石墨中弹性散射多少次能变成能量为0.025eV的热中子？2.6 为测量铅对10MeV的总吸收截面设计一个实验，发现1cm厚的铅层使中子通量密度衰减为其初始值的84.5%。铅的原子量为207.21，密度为11.3g/cm3，试计算宏观截面微观截面。（提示：中子通量密度在屏蔽层中衰减规率如下：，其中I为中子通量密度，为微观截面，N为原子密度（单位：个/cm3），t为屏蔽层厚度，是宏观截面）。0NtII eN N