大学伽马射线与物质的相互作用教案

School of Nuclear Science and Technology大学伽马射线与物质的相互作用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望School of Nuclear Science and Technology本节课程提纲本节课程提纲n 1.1.伽马射线与物质作用一般特性（了解）伽马射线与物质作用一般特性（了解）n 2.2.光电效应（掌握）光电效应（掌握）n 3.3.康普顿效应（掌握）康普顿效应（掌握）n 4.4.电子对效应（掌握）电子对效应（掌握）l 教学内容教学内容n 5.5.伽马射线的吸收（理解）伽马射线的吸收（理解）l 教学小结教学小结School of Nuclear Science and Technology1.一般特性一般特性l 伽马射线定义伽马射线定义n 处于激发态的原子核向稳定的低能激发状处于激发态的原子核向稳定的低能激发状态或基态跃迁时放出的伽马光子态或基态跃迁时放出的伽马光子l 与物质作用的一般特性与物质作用的一般特性n 发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部能量，光子要么完全消失，要么大角度散射能量，光子要么完全消失，要么大角度散射n 伽马光子不带电，无法使靶核电离激发伽马光子不带电，无法使靶核电离激发l 截面截面n 表征发生相互作用的概率表征发生相互作用的概率n 大小与伽马能量和靶核性质有关大小与伽马能量和靶核性质有关School of Nuclear Science and Technology2.光电效应光电效应(1/2)l 定义定义n 光子与靶核原子所束缚的电子作用时，把全部能量转移光子与靶核原子所束缚的电子作用时，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去（光电子），而光子本身给某个束缚电子，使之发射出去（光电子），而光子本身消失掉，并伴随发出特征消失掉，并伴随发出特征X X射线或低能俄歇电子的现象。射线或低能俄歇电子的现象。l 发生条件发生条件n 伽马光子的能量必须大于电子在原子中的结合能伽马光子的能量必须大于电子在原子中的结合能示意图示意图School of Nuclear Science and Technology2.光电效应光电效应(2/2)l 结果结果n光电截面光电截面-产生光电效应的截面产生光电效应的截面该截面随光子的能量增大而减少该截面随光子的能量增大而减少随靶核原子序数的增大而增大随靶核原子序数的增大而增大n光电子能量光电子能量-光电子获得的动能光电子获得的动能-入射光子的能量入射光子的能量-第第i i层电子的结合能层电子的结合能School of Nuclear Science and Technology3.康普顿效应康普顿效应(1/2)l 定义定义n 入射光子与靶核原子核外电子发生非弹性碰撞，一部分入射光子与靶核原子核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使之反冲出来（康普顿电子），而光子能量转移给电子，使之反冲出来（康普顿电子），而光子的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子的现象。的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子的现象。n 1923 1923年康普顿发现年康普顿发现X X光与电子散射时波长会发生移动的光与电子散射时波长会发生移动的现象，称为康普顿效应。现象，称为康普顿效应。n 外层电子可看成自由电子，外层电子可看成自由电子，该效应可认为是光子与处于静止该效应可认为是光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞，状态的自由电子之间的弹性碰撞，符合相对论的能量动量守恒。符合相对论的能量动量守恒。入射光子与散射光子能量入射光子与散射光子能量反冲电子能量反冲电子能量入射光子与散射光子夹角（散射角）入射光子与散射光子夹角（散射角）反冲电子的反冲角反冲电子的反冲角School of Nuclear Science and Technology3.康普顿效应康普顿效应(2/2)l 运动学关系运动学关系n 当散射角当散射角180180度时，入射光子与电子度时，入射光子与电子对头碰撞后，沿相反方向散射回来，而对头碰撞后，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，称为反反冲电子沿入射光子方向飞出，称为反散射。此时散射光子能量最小。散射。此时散射光子能量最小。l 康普顿截面康普顿截面n 与靶核原子序数成正比，但随光子能量增加而减小。与靶核原子序数成正比，但随光子能量增加而减小。School of Nuclear Science and Technology4.电子对效应电子对效应l 定义定义n 当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，伽马光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。下，伽马光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。l 发生条件发生条件n 根据能量守恒定律，只有当入射光子能量大于根据能量守恒定律，只有当入射光子能量大于 ，即即1.02MeV1.02MeV时，才能发生电子对效应。时，才能发生电子对效应。分别为正、负电子的动能。分别为正、负电子的动能。l 电子对效应截面电子对效应截面入射光子入射光子原子核原子核正负电子对正负电子对School of Nuclear Science and Technology5.伽马射线的吸收伽马射线的吸收(1/2)l 定义定义n 伽马光子与吸收物质的原子发生相互作用（前面讲的三伽马光子与吸收物质的原子发生相互作用（前面讲的三种效应）后，或者完全消失或者散射后能量改变，偏离原种效应）后，或者完全消失或者散射后能量改变，偏离原来入射方向，即从原来入射的伽马束中移去。来入射方向，即从原来入射的伽马束中移去。l 特点特点n 伽马射线强度逐渐减弱，没有射程的概念。伽马射线强度逐渐减弱，没有射程的概念。n 伽马射线不易被吸收，穿透物质的能力比伽马射线不易被吸收，穿透物质的能力比alphaalpha，betabeta粒子以及带电重离子等强。粒子以及带电重离子等强。l 例子例子-铅对伽马的吸收铅对伽马的吸收n 光电效应在低能区显著光电效应在低能区显著n 电子对效应在高能区显著电子对效应在高能区显著n 康普顿效应覆盖能区最广康普顿效应覆盖能区最广School of Nuclear Science and Technology5.伽马射线的吸收伽马射线的吸收(2/2)l 定量分析定量分析n 吸收物质单位体积原子数为吸收物质单位体积原子数为N N，在厚度，在厚度t t处的伽马射线强处的伽马射线强度为度为I I，通过，通过dtdt薄层后，强度变为薄层后，强度变为I-dI,I-dI,有如下关系有如下关系n 射线强度衰减遵循指数规律射线强度衰减遵循指数规律l 基本概念基本概念n 吸收截面吸收截面n 线性吸收系数线性吸收系数n 质量吸收系数质量吸收系数 表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率表示在单位路程上伽马射线与物质发生相互作用的总概率 与吸收物质的密度有关与吸收物质的密度有关 与吸收物质的密度及物理状态无关，更方便使用与吸收物质的密度及物理状态无关，更方便使用School of Nuclear Science and Technology教学小结教学小结l 基本概念基本概念n光电效应、康普顿效应、电子对效应光电效应、康普顿效应、电子对效应l基础知识基础知识n三大效应发生的条件、特点、变化规律三大效应发生的条件、特点、变化规律l重点难点重点难点n伽马射线与物质作用三大效应所涉及的物理过程伽马射线与物质作用三大效应所涉及的物理过程n截面、截面、线性吸收系数、质量吸收系数线性吸收系数、质量吸收系数n伽马射线在物质中的吸收规律伽马射线在物质中的吸收规律n伽马射线在物质中吸收规律的定量分析伽马射线在物质中吸收规律的定量分析School of Nuclear Science and Technology谢谢各位老师，谢谢各位老师，敬请批评指正！敬请批评指正！