第4章射线与物质的相互作用-1

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1、 泛指泛指核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种粒子生的各种粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重离、重离子和裂片等。子和裂片等。p 射线（核辐射）：射线（核辐射）：核辐射粒子的基本性质核辐射粒子的基本性质1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p质质 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 质质 量量 ( u )电荷电荷（e)符号符号种类种类可见：射线的本质就是核辐射粒子可见：射线的本质就是核辐射粒子 物质的构成可由单质、化合物或混合物构成（包括人体）；物质的构成可

2、由单质、化合物或混合物构成（包括人体）； 物质的状态可以是气体、液体和固体状态。物质的状态可以是气体、液体和固体状态。p 物质：物质：载能的粒子对物质载能的粒子对物质 : 1 有没有作用有没有作用 2 具体的作用机制是什么具体的作用机制是什么 3 有什么样的规律有什么样的规律 4 产生什么样的结果产生什么样的结果p 射线与物质的基本作用：射线与物质的基本作用：微观粒子间碰撞有动量和能微观粒子间碰撞有动量和能量的传递：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 1、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引起射、射线穿过物质时，由于射线与物质的相互作用，引

3、起射线能量损失、角度偏转和强度衰减，以及造成物质的辐射损伤线能量损失、角度偏转和强度衰减，以及造成物质的辐射损伤等，这些物理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与等，这些物理量的理论计算和实验数据分析，依赖于对射线与物质相互作用的了解程度；物质相互作用的了解程度； 研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许物理、核辐射探测、核辐射防护、核技术应用和核能利用等许多领域中有着重要的意义。例如：多领域中有着重要的意义。例如： 研究射线与物质相互作用的意义：研究射线与物质相互作用的意义：

4、 射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。 2、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实、从射线与物质相互作用的有关实验观察，例如，散射实验，能提供有关原子和原子核结构方面的知识；验，能提供有关原子和原子核结构方面的知识； 3、根据射线与物质相互作用的机制、特点，设计和制造各、根据射线与物质相互作用的机制、特点，设计和制造各种核辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理实验研究工作，种核辐射探测器，并用这些探测器来进行核物理

5、实验研究工作，如射线能量的测量、强度测量和各种核参数测量，以及用来寻如射线能量的测量、强度测量和各种核参数测量，以及用来寻找放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测等；找放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测等； 4、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地、在原子能工业，核子医学和核科学实验中，为了有效地进行核辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防进行核辐射防护，需要根据射线与物质的相互作用规律，选择防护层的合适的材料和厚度来阻止一定能量的某种射线的穿透；护层的合适的材料和厚度来阻止一定能量的某种射线的穿透； 5、根据射线与物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、根据射线与

6、物质的相互作用，可开展核技术在边缘学科、工业、农业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在工业、农业和医学等方面的应用研究工作，如离子束分析技术在材料元素成分分析、固体表面层特性分析、离子注入半导体材料材料元素成分分析、固体表面层特性分析、离子注入半导体材料分析、晶格结构和辐射损伤研究等方面的应用；工业上的射线探分析、晶格结构和辐射损伤研究等方面的应用；工业上的射线探伤和测厚，材料和农作物、生物样品的辐射处理，以及肿瘤疾病伤和测厚，材料和农作物、生物样品的辐射处理，以及肿瘤疾病的诊断和治疗等。的诊断和治疗等。 可见，深入了解射线与物质的相互作用机制及射线穿过物质可见，深入了解射线与物质的

7、相互作用机制及射线穿过物质时发生的有关现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材时发生的有关现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材料对射线的阻止作用，以及对分析核物理实验测量结果，都是非料对射线的阻止作用，以及对分析核物理实验测量结果，都是非常有用的。常有用的。 射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和射线与物质的相互作用，是核类相关专业必须深入了解和熟练掌握的基础知识。熟练掌握的基础知识。 本课程讨论对象为本课程讨论对象为致电离辐射致电离辐射，辐射能量，辐射能量大于大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。即可使探测介质的原子发生电离的能量。 4.1 概述概述4.2

8、 粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用4.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.5 射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减4.6 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用带电粒子辐射),(fdp重带电粒子辐射),(e快速电子非带电粒子辐射),(x电磁辐射中子 致电离辐射：辐射能量大于10eV量级的射线。EMVmvMVmv222221212121E（式中：（式中： 为内能项为内能项 ）0E弹性碰撞弹性碰撞（即动能守恒）（即动能守恒） 0E非弹性碰撞非弹性碰撞（即动能不守恒）（即动能不守恒） 0E称为称为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞，

9、如入射粒子与处于基态，如入射粒子与处于基态原子碰撞，且使原子被激发；原子碰撞，且使原子被激发； 0E称为称为第二类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发，如入射粒子与处于激发态的原子碰撞，且使其退激。态的原子碰撞，且使其退激。 带电带电粒子通过粒子通过库仑力库仑力与物质发生相互作用。与物质发生相互作用。相互作用过程中，满足能量守恒相互作用过程中，满足能量守恒：碰撞机制碰撞机制： 与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。与原子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。p 从微观上看：从微观上看： 碰撞后碰撞后： 入射粒子能量损失；入射粒子能量损失； 或能量、方向改变后出射；或能量、方向改变后出射；

10、 或入射粒子消失，产生新粒子。或入射粒子消失，产生新粒子。p 从宏观上看：从宏观上看： 不管作用机制如何，穿过物质不管作用机制如何，穿过物质的射线强度比入射强度减小。的射线强度比入射强度减小。 、射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相射线和重离子穿过靶物质时，与靶物质原子发生相互作用。互作用。、和重粒子和重粒子是是荷电粒子荷电粒子光子光子不带电不带电与靶物质与靶物质原子发生原子发生作用的机作用的机制不同制不同在靶物质中的能量损在靶物质中的能量损失情况不同失情况不同粒子被物质吸收规律粒子被物质吸收规律也不同也不同导致导致导致导致荷电粒子荷电粒子、和重粒子的和重粒子的质质量差异很大量差异很大

11、它们在穿透它们在穿透靶物质时的靶物质时的行为也不同行为也不同导致导致有必要有必要考察考察带电粒子穿带电粒子穿透靶物质时透靶物质时的行为的行为 在入射带电粒子与在入射带电粒子与电子电子的的一次碰撞一次碰撞中，中，电子能获得的最大电子能获得的最大能量能量：02max)(4EMmmME质子入射时：质子入射时：0max5001EEp 入射入射带电带电粒子粒子在靶物质中在靶物质中的的慢化慢化过程过程： 具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质中，将与物质原子发生相互作用。发生相互作用。 这些相互作用是入射带电粒子所带这些相互作用是入射带电粒子所带电荷电荷与