第一章电离辐射与物质的作用讲义课件

第一章第一章 电离辐射与物质的作用电离辐射与物质的作用主要内容：1、电离辐射场；2、带电粒子与物质的相互作用；3、和X射线与物质的相互作用；4、中子与物质的相互作用。研究辐射问题涉及两个基本的场描述方法，一个辐射场，另外一个是辐射剂量场。辐射场描述了射线的种类、射线的能量分布和射线的空间分布。而辐射剂量场则提供了在一定的介质环境下辐射场所导致的剂量的分布和剂量特征。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场辐射场的固有性特性、利用辐射场方法来定量描述辐射分布的物理量，称为辐射计量学量。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场电离辐射场就是一个在一定的空间区域内充斥电离辐射的物质形式，电离辐射场内射线与物质相互作用导致了辐射场内辐射剂量的大小和分布。辐射场的性质和辐射的起源强烈相关。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场电离辐射场的性质和辐射场中介质的性质，如介质的化学成分、密度、空间分布及介质的边界条件等，决定了空间剂量场的性质。电离辐射场及辐射场中的物质相互作用，导致了介质中、介质边界和介质周围剂量大小、剂量空间分布。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场激发(excitation)电离(ionization)非电离辐射(non-ionizing radiation)电离辐射(ionizing radiation)。辐射剂量学侧重点在电离辐射。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场第一节第一节 电离辐射场电离辐射场电离电离(ionization)将电子从基态激发到脱离原子，叫做电离，这时所需的能量叫电离电势能。外壳层的电子比内壳层的电子易电离。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场一、电离辐射电离辐射电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多。包括：1、重带电粒子(p,He,O,heavy ions)2、轻带电粒子(正电子,电子)3、光子，如射线和X射线4、中子n天然辐射：人类主要接收来自于自然界的天然辐射。它来源于太阳，宇宙射线和在地壳中存在的放射性核素。从地下溢出的氡是自然界辐射的另一种重要来源。n人造辐射：医用设备(例如医学及影像设备)；研究及教学机构；核反应堆及其辅助设施，(如铀矿以及核燃 料厂。诸如上述设施必将产生放射性废物，其中一些向环境中泄漏出一定剂量的辐射。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场非电离辐射非电离辐射 能量小于10eV的光子，波长大于 100 nm的紫外线、可见光、红外线和射频辐射，由于其能量低，不能引起物质电离，故称为非电离辐射。它对人体的生物学效应与其物理特性有密切关系，特别是与其光子的能量、波束的功率和穿透组织的能力有关。环境中非电离辐射来源于天然、日常生活用品或其它人为的发生源，可以说无处不在。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场直接电离辐射和间接电离辐射直接电离辐射和间接电离辐射通过初级过程引起电离的粒子称作直接电离辐射。直接电离辐射包括、质子等带电粒子，这些粒子可以通过库仑力相互作用直接在物质中沉积能量并引起电离。通过次级过程引起电离的粒子称作间接电离辐射。间接致电离辐射包括光子（射线和X射线）、中子等不带电粒子。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场外辐射和内辐射外辐射和内辐射体外源发射的辐射称作外辐射，如宇宙射线、医用X射线和射线等等。外辐射对人体的照射成为外照射。体内源发射的辐射称作内辐射。如医用的示踪剂、吸入的氡和氡子气等等。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场二、电离辐射场的描述二、电离辐射场的描述 电磁辐射居留的空间称为电离辐射场，对它的描述可以通过一系列的辐射量来描述。包括：v粒子数和辐射能；v通量、注量和注量率；v角分布和辐射度；v能谱分布；v辐射矢量和平面注量；v注量与径迹长度。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场1、粒子数和辐射能、粒子数和辐射能 粒子数，用N表示，指的是发射、转移或者接受的粒子数目(不能表征辐射场的疏密程度)，单位是“1”。定义粒子数密度n来表征辐射场的疏密程度，它表示单位体积中的自由粒子的数目，单位是“m-3”。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场 将辐射场中所有粒子的能量(不包括静止能量)求和，即得到辐射场的辐射能R。包括发射、转移或接受的辐射粒子的能量(不包括静止能量)。单位是“J”。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场2、通量、注量和注量率、通量、注量和注量率 a.通量 表示dt时间间隔内粒子数的增量(dN)；能量通量 表示dt时间间隔内辐射能的增量(dR)，能量通量的单位为“Js-1或W”。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场b.注量穿过单位面积的粒子数目称为注量，是为了研究电离辐射与物质的相互作用程度的一个物理量。对于辐射场中某一区域包含不同方向的辐射粒子，那么该区域的注量 ，注量的单位为“m-2”。在单向平行辐射场的特殊情况下，粒子的注量即等于通过与辐射进行方向垂直的单位面积的粒子数。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场c.能量注量对应于粒子注量，定义能量注量 ，表示进入截面积为da的小球的辐射能的变化 同样在单向平行辐射场的特殊情况下，粒子的能量注量 。能量注量的单位为“Jm-2”。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场d、注量率、注量率粒子注量率 ，表示单位时间间隔内粒子注量的变化，单位“m-2s-1”。同样，定义能量注量率 ，表示单位时间间隔内能量注量的变化，单位“Wm-2”。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场能量注量能量注量 与粒子注量与粒子注量 的关系的关系对于单能辐射场，有=E；若辐射场不是单能的，则有其中i表示不同能量的辐射。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场3、角分布和辐射度、角分布和辐射度粒子的角分布 表示沿制定方向附近d 立体角元内粒子注量的变化，那么有：粒子注量角分布的单位是“m-2sr-1，每平方米每球面度”。立体角元d=sindd，那么同样的也可以给出能量注量的角分布第一节第一节 电离辐射场电离辐射场辐射度辐射度P注量率的角分布称为辐射度，单位是“m-2sr-1s-1”。同样，定义能量辐射度第一节第一节 电离辐射场电离辐射场4、能谱分布、能谱分布粒子注量谱粒子注量谱谱分布有两个数学表示型示，积分分布 和微分分布积分分布表示能量在0和E之间的粒子所构成的那部分粒子注量，等于进入小球的能量在0和E之间的粒子数除以该球体截面积的商。微分分布表示单位能量间隔内的粒子注量。可以看出粒子注量的谱分布第一节第一节 电离辐射场电离辐射场4、能谱分布、能谱分布能量注量谱能量注量谱 同样我们也可以给出能量注量的谱分布，第一节第一节 电离辐射场电离辐射场4、能谱分布、能谱分布辐射度辐射度 为了完整描述辐射场，需要知道在任意时间t，空间 处，沿任意方向运动的j类粒子的微分谱分布，这就是此类粒子辐射度的谱分布。同样，由 可知，第一节第一节 电离辐射场电离辐射场5、辐射矢量与平面注量、辐射矢量与平面注量 a.辐射矢量 粒子运动方向上的单位矢量 乘以 即可得到粒子的辐射度谱的矢量表达式同样也可以给出各辐射量的矢量形式 第一节第一节 电离辐射场电离辐射场5、辐射矢量与平面注量、辐射矢量与平面注量 对矢量求和，方向相反的分量相互抵消，有第一节第一节 电离辐射场电离辐射场5、辐射矢量与平面注量、辐射矢量与平面注量 b.平面注量 考虑注量的方向性，则有这样，我们把辐射场的矢量注量分为两个部分，和 ，那么穿过面积元的粒子数为可以看出第一节第一节 电离辐射场电离辐射场6、注量与径迹长度的关系、注量与径迹长度的关系取任意辐射场中任意形状的足够小体积元 ，则在此体积元中粒子的总径迹长度为所以有即注量等于单位体积内的径迹总长度。第一节第一节 电离辐射场电离辐射场三、辐射传输方程三、辐射传输方程第一节第一节 电离辐射场电离辐射场三、辐射传输方程三、辐射传输方程对于恒稳的辐射场，即辐射场不随时间改变，有那么对传输方程对时间积分，可以得到其中：表示恒稳源单位时间单位体积发射的能量为E，方向为的单位能量单位立体角间隔内的粒子数带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 (粒子能量很高,介质由核和电子独立构成)带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞 第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用电离和激发电离和激发电离电离(ionization)电子脱离原子核,外壳层易电离 激发激发(excitation)1.电子高激发态2.体系能量增加3.形成空位光子、俄歇电子第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用电离和激发电离和激发 带电粒子在物质中，由于多次的电离、激发，逐渐地失去了它的能量，这种类型的能量损失，叫做“电离损失”。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用电离和激发电离和激发第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用轫致辐射轫致辐射运动着的带电粒子还可与原子核发生非弹性碰撞。带电粒子在原子核的电场作用下，运动突然受阻，运动方向发生大的偏转，此时带电粒子的一部分动能便转变为具有连续能谱的x射线辐射出来，这就是轫致辐射。在物质中，带电粒子由于轫致辐射的产生而损耗的能量，叫做“辐射损失”。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用弹性散射弹性散射运动着的带电粒子贯穿物质时，因受物质中原子核电场的作用而改变运动的方向，但带电粒子与原子核在相互作用前后总动能保持不变，这种过程叫做弹性散射或弹性碰撞。粒子等重带电粒子，因其质量较大，受原子核的弹性散射不显著，因而它们在物质中的径迹是相当直的(如左图)。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用弹性散射弹性散射电子则不然，由于其质量小，被原子核散射时，运动方向常作大角度的偏祈，且它不仅被原子核散射，还会被核外电子散射。电子受到的弹性散射还与物质的原于序数有关，原子序数越高，散射角度越大。不仅散射一次，并且还会多次受到散射，往往出现反散射现象。因此，电子在物质中的径边是非常曲折的(如左图)。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领 线阻止本领(linear collision stopping power)S，是指一定能量的带电粒子在物质中穿行单位长度路程时由于电离、激发等作用所损失的能量；定义总质量阻止本领，记作S/；它可以分解成各种相互作用阻止本领之和。当核反应和电子对生成可以忽略时第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领1、碰撞阻止本领、碰撞阻止本领质量碰撞阻止本领包括电离、激发和切伦科夫辐射引起的能量损失。电子受到的库仑力fyfxm Zerbx0fm0 e入射重粒子速度不会由于与电子的一次碰撞作用而有很大的改变，可以把看成常数V=dx/dt且v是常数第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领带入上式假定单位体积内有N个靶物质原子，原子系数为Z。对所有可能的b值积分可以得到单位路程上的路程损失入射带电粒子与单个电子碰撞而损失的能量，也就是电子获得的动能第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领在可能的b的圆周上(如右图所示)第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领最小碰撞参数取决于碰撞过程中的全部能量转移()最大碰撞参数由电离和激发的能量决定 碰撞参数第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领考虑相对论和其他修正因子后得到Bethe-Block公式从量子理论导出的能量损失率(非相对论)第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领考虑密度效应第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领这样可以得出重带电粒子的质量碰撞阻止本领第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领其中：对于电子，它的质量碰撞阻止本领第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领对于正负电子第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领对于电子，有其中等于电子的动能与其静止能量之比。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领1、壳层修正、壳层修正C/Z以速率为v运动的重带电粒子与电子发生正碰撞时，此时可以交给电子的能量约为2m0v2。如果2m0v2小于K电子的激发能，那么K电子就不会受到入射的重带电粒子影响，成为不相干电子，所以在低能时要进行壳层修正。C/Z与吸收介质有关，是重带电粒子E/M的函数。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领2、极化极化(密度密度)效应修正效应修正运动的带电粒子产生电场，使得介质中的原子极化，这样就减弱了运动的带电粒子产生的电场，降低了与介质中较远的电子的作用，从而导致了碰撞能量损失的减少。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领3、碰撞阻止本领与碰撞阻止本领与E的的关系关系阻止本领随能量而变化的情况，如右图所示。曲线随着能量的增加而下降的部分，对应着1/2。当能量接近于运动粒子的静止能量时，相对论效应使阻止本领曲线在很宽的极小值附近变得平缓，此后又逐渐地增大，对应1/(1-2)。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领4、不同重带电粒子的比较不同重带电粒子的比较在同一种介质中，速率相同(即或E/M相等)的中带电粒子的壳层修正和密度修正是相同的，所以归一化的碰撞阻止本领是的函数，有第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领5、电荷交换效应、电荷交换效应运动速度较低的重带电粒子穿过吸收介质时，会使其有效电荷数减小，这种电荷交换效应会使重带电粒子的碰撞阻止本领在低能区随E的降低而下降。6、碰撞阻止本领与、碰撞阻止本领与Z的的(介质的原子序数介质的原子序数)关系关系Z/MA随原子序数的增加而减少，平均激发能I随原子序数的增加而增大。所以碰撞阻止本领随吸收介质原子序数的增加而降低。7、化合物中的碰撞阻止本领、化合物中的碰撞阻止本领可以表示为各不同元素构成的介质的碰撞阻止本领的相加，即fi表示指定的第i种元素在化合物中所占的比重。重带电粒子阻止本领的特点重带电粒子阻止本领的特点 1、重带电粒子的电离损失率与它的电荷数Z的平方成正比，在速度相同时，带电粒子的电荷愈多，能量损失愈快，穿透物质的本领就愈弱。例如，粒子的Z2，质子的Z=1，当它们以同样速度在同一物质中通过时，粒子的电离损失率要比质子的电离损失率大4倍，因而粒子的穿透本领就较质子的弱得多。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领重带电粒子阻止本领的特点重带电粒子阻止本领的特点 2、重带电粒子的电离损失率与它本身的质量无关，因为在bethe-bloch式中没有出现入射粒子的质量。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领重带电粒子阻止本领的特点重带电粒子阻止本领的特点 3、重带电粒子的电离损失率与它的速度有关，当入射粒子速度不很高时，电离损失率与速度平方成反比，速度越小，电离损失率越大。这是因为在发生碰撞时，带电粒子的动量转移与它和电子作用的时间长短有关。带电粒子速度愈慢，掠过电子的时间越长，它们之间的静电库仑作用时间就愈长，电子获得的动量也就愈大。因此，入射带电粒子的能量损失就越大。反之，入射带电粒子的速度越大，作用时间越短，能量损失率就越小。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用阻止本领阻止本领重带电粒子阻止本领的特点重带电粒子阻止本领的特点 4、重带电粒子的电离损失和介质的原子序数Z/MA(轻元素0.5，重元素约为0.4)成正比，轻元素的阻止能力强。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用定限阻止本领定限阻止本领a、粒子粒子高能带电粒子与原子电子碰撞时，传递给电子的能量为这样可以看出，当高能带电粒子为正负电子时，max=E。在实验中无法分辨初级和次级电子，所以规定碰撞后能量较大是初级电子，能量较小的是次级电子。被带电粒子电离的介质原子的电子，如果其能量足够大，还可以产生次级电离，从而形成分支径迹，这种电子称为次级电子或者粒子。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用定限阻止本领定限阻止本领b、L/和和LET定限碰撞阻止本领就是在研究碰撞阻止本领时，给定一个能量限，当粒子的能量小于认为其能量是在初始作用点沉积的，反之则视为单独的带电粒子。定限碰撞阻止本领对于重带电粒子，其计算公式为第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用定限阻止本领定限阻止本领b、L/和和LETL称为定限线碰撞阻止本领，也叫做传能线密度LET(linear energy transfer)，表示特定能量的带电粒子在介质中穿行单位长度路程时，由能量转移小于某一指定值的历次碰撞所造成的平均能量损失。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用辐射阻止本领辐射阻止本领质量辐射阻止本领：质量辐射阻止本领：因非弹性碰撞辐射相互作用而损失的能量大小。对于重带电粒子，辐射能量损失与其它过程的能量损失相比可以忽略不计。对于电子，质量辐射阻止本领计算公式为第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用辐射阻止本领辐射阻止本领取上式表明，当电子能量很高时，(S/)r/E与电子的能量无关。对于电子，辐射阻止本领和碰撞阻止本领的比值为第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用辐射阻止本领辐射阻止本领电子在水和铅中能量的电离损失和辐射损失随电子能量变化的情况如图所示。由图可见，低能时，辐射损失比电离损失小两个数量级。而当电子能量趋向高能时，辐射损失则逐渐地成主要能量损失方式。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用散射本领散射本领对于重带电粒子，散射可以忽略不计。对于电子，定义单位质量厚度产生的散射均方角为质量散射本领。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用射程射程射程实验射程实验带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射方向穿过的最大直线距离，称为该入射粒子在吸收物质中的射程(Range).测定方法：依次将一定厚度的材料薄片放在粒子源和探测器之间，并以粒子数作为吸收厚度的函数而记录下来。这种测量得到的曲线称为“数值-距离曲线”(number-distance curve)。曲线的形状取决于粒子的种类和它们的初始能量分布以及吸收材料的性质。粒子在空气中的射程和能量的关系，射程和速度的立方成正比,可以用下面的经验公式来表示第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用射程射程第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用射程射程平均投影射程平均投影射程在射程曲线上去斜率最大的点作切线，与x轴相交的点对应的吸收体厚度称作外推投影射程，记做Rp。第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用射程射程连续慢化近似射程连续慢化近似射程在带电粒子能量连续慢化过程中，其穿行路程总质量厚度可以表示为将bethe-bloch公式代入并考虑重带电粒子的动能那么第二节第二节 带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用-带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用产生离子对消耗的平均能量产生离子对消耗的平均能量产生离子对消耗的平均能量对于混合气体，有 射线是一种高能量的光子。它是一种不带电的中性粒子，与X射线性质相同，也是电磁波，只是波长更短频率更高。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光子与物质发生相互作用时，不像带电粒子那样通过连续碰撞逐渐损失能量，而是趋于在一次碰撞中失掉其大部分或全部能量。另外，它不像带电粒子那样能直接使物质原子电离或激发，而是通过所产生的次级电子引起物质原子的电离和激发。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用右图示意地给出了X或射线进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收乃至最终引起生物损伤的大概过程。可以看到，在物质中每经一次相互作用，光子的一部分能量转移给电子，另一部分则被散射(或者特征x射线、质湮辐射)的光子所带走。通常，一个入射光子的全部能量转移结电子，平均约需30次左右的相互作用。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、光电效应一、光电效应当一个光子和原子发生碰撞时，它可能将自己的全部能量交给某个束缚电子，使它脱离原子而发射出去，而整个光子被吸收掉，这个效应即称为光电效应(photoelectric effect)。光电效应中发射出来的电子叫做光电子(photoelectron)。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电子能量光电子能量E与光电子发射角无关。1、光子能量必须大于电子的结合能 2、光子打在自由电子上不能产生光电效应。3、K壳层上打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 光电效应(photoelectric effect)截面。对高能光子:当光子能量远小于电子静止质量 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 光电效应(photoelectric effect)的截面。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应截面发生尖锐突变的地方分别称为K、L、M等吸收限。光电效应后，内壳层的空位导致特征X射线或俄歇电子。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用俄歇电子俄歇电子是由于原子中的电子被激发而产生的次级电子。当原子内壳层的电子被激发形成一个空洞时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量。虽然能量有时以光子(X射线)的形式被释放出来，但这种能量可以被转移到另一个电子，导致其从原子激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为俄歇效应俄歇效应，以发现此过程的法国物理学家P.V.俄歇命名。光电效应能量转移截面。f表示发射X射线的几率。能量转移截面表示光子穿过1原子/m2的介质时，光子能量转变为电子动能的份额。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 光电子的角分布第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用当光子能量很低时，大部分光电子朝侧向发射。随着能量增加时，角分布就逐渐偏向于前方。=0是禁戒的。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用二、康普顿效应二、康普顿效应又称康普顿散射，是一种非相干散射。在康普顿效应中，最经常讨论的是入射光子和原子最外壳层电子的弹性碰撞。康普顿散射前后体系的动能应该相等 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 康普顿散射前后体系的动量应该相等 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 从而可以算出散射光子的能量 反冲电子的动能为 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 散射光为连续谱,散射角越大,散射光子能量越低,散射前后光子波长的改变 h/mc是电子的康普顿波长 在反散射在反散射(=180=180)时，散射光子能量为最小值时，散射光子能量为最小值 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用此时，反冲电子能量最大此时，反冲电子能量最大 康普顿电子的反冲角 与散射角的关系 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用对两边微分，可得 光电效应几乎完全与物质原子的光电效应几乎完全与物质原子的K，L壳层壳层的电子发生作用，并且它是比较强的特征的电子发生作用，并且它是比较强的特征X射线的重要来源；康普顿效应一般只涉及最射线的重要来源；康普顿效应一般只涉及最外层电子，除轻元素外，不会产生可观的外层电子，除轻元素外，不会产生可观的K或或L的特征的特征X射线。射线。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用作用截面作用截面-(克莱茵-仁科截面)可以看出，反应截面是入射光子能量和散射角的函数。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用电子散射微分截面能量转移微分截面：入射光子能量转移给射向p方向单位立体角内反冲电子能量的份数。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用同样，散射光子的角分布为反冲电子的角分布 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用可以看出，随着入射光子能量的增加，散射角和反冲角都减小。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用同样由可以给出康普顿效应截面按反冲电子能量的分布 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用对克莱茵-仁科公式积分，可得每个电子将光子散射到任何方向的积分截面当入射光子能量远远大于电子静止能量时，即1，有第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用忽略2阶无穷小量 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用对电子散射微分截面 积分，可得到康普顿效应的电子散射截面，表示单位面积上含有一个电子的物质层中散射光子占入射光子能量的分数。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用康普顿效应的电子能量转移截面 表示单位面积上含有一个电子的物质层中产生康普顿反冲电子的能量占入射光子能量的分数。康普顿效应中，入射光子能量等于散射光子和反冲电子的能量之和，所以那么 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用随入射光子能量的变化如图所示。随着能量的增加，和 单调降低，且 下降速度更快，对于低能光子，接近 ，随着光子能量增加，两者差别越来越大。在0.5MeV附近达到最大值，然后随光子能量增加而降低。与 的比值随光子能量单调上升，从而可以看出发生康普顿效应的光子能量中交给反冲电子的分数随光子能量增加而增加。电子对光子散射截面、电子散射截面和电子能量转移截面()第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、电子对效应三、电子对效应正电子(positron)是电子的反粒子，它的许多基本属性和电子对称。正电子具有和电子相同的质量、相同的电荷数，相同的自旋和磁矩，带有和电子相反的电荷。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1930年狄拉克(P.A.M.Dirac)将量子力学的波动方程成推广到相对论能区，在解单电子相对论运动波动方程的过程中，对存在负能量结果进行解释的同时，预言了正电子的存在。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用赵忠尧在1930年研究能量为2.61MeV的射线在金属Pb上的吸收和散射时，发现除康普顿散射外，还存在一种特殊的各向同性的辐射，但当时并不知道这种辐射即为正电子湮没产生的辐射。1932年，安德逊(C.D.Anderson)在宇宙线实验中通过观察宇宙射线在云室中的径迹，首先发现了正电子，在实验上证实了正电子的存在，因此而获得了1936 年的诺贝尔奖。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用如果光子能量大于两个电子的静止质量能(即大于1.02MeV)，则当入射光子从原子核近旁经过时，在原子核库仑场作用下，入射光子能量可能全部被吸收而转化为一对电子一个正电子和一个负电子。这个作用过程称为电子对效应(pair effect)第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用如果入射光子的能量超过如果入射光子的能量超过1.02MeV时，则其多时，则其多余的能量将转化为正负电子的动能，有余的能量将转化为正负电子的动能，有贝特和海特勒给出了产生能量为E+的正电子的微分截面第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用对 积分，可得：第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三粒子生成三粒子生成在电子的库仑场中也可能产生正、负电子对。不过由于电子质量小，反冲能量较大，入射光子在电子库仑场中产生电子对的最低能量至少是4m0c2。在此过程中，为了保持动量守恒，靶电子会获得相当的反冲能量，这样出现三个高能带电粒，一个正电子和两个电子，因此常称为三粒子生成(triplet production)。入射光子在电子库仑场中发生电子对的概率很小，约为在原子核电场产生电子对效应的截面的1/Z。电子对生成的能量转移截面为电子对生成的总截面正电子耗尽自己的能量后，将与吸收物质中的一个负电子相互作用而转化为两个光子，即：第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 电子对效应是正电子湮没的逆过程。在正电子对效应是正电子湮没的逆过程。在正电子湮没过程中放出的两个光子，能量均电子湮没过程中放出的两个光子，能量均等于等于0.511MeV，而其运动方向相反。正电，而其运动方向相反。正电子湮没过程中放出的光子通常又称为湮没子湮没过程中放出的光子通常又称为湮没辐射辐射 第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、其它相互作用四、其它相互作用1、相干散射光子与原子电子发生的相干散射称为瑞利散射，在此过程中原子电子吸收光子能量而跃迁到高能级，然后放出一个能量大约等于入射光子的散射光子，这一过程也称为电子共振散射。其截面第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、其它相互作用四、其它相互作用2、光核反应原子核吸收一个光子，随后放射出一个或几个核子的过程称作光核反应。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用五、各种相互作用的比较五、各种相互作用的比较从图中可以看出：从图中可以看出：光子低能区，光光子低能区，光电效应为主；中电效应为主；中能区，康普顿效能区，康普顿效应为主；高能区，应为主；高能区，电子对效应为主。电子对效应为主。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用六、六、衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数衰减系数、能量转移系数和能量吸收系数射线穿过物质时，可能与物质原子发生光电效应，康普顿效应和电子对效应。只要射线与吸收物质的原子一旦发生上述三种效应中的一种，原来能量为的光子将消失，或散射后能量改变并偏离原来的入射方向。射线只要与物质发生上述作用，它便从原来的入射射线束中移去,于是就称为吸收了。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用窄束衰减和衰减系数窄束衰减和衰减系数此处窄束条件，指的是入射光子与物质发生各种相互作用过程产生的散射光子将达不到深测器上。那么在dx物质层内因发生相互作用而改变的光子数为其中：N是入射的光子数，是线衰减系数，表示光子穿过单位厚度物质层发生各种相互作用的总几率。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用由前面的内容可以看出线衰减系数对应的，质量衰减系数/第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用对 积分，可得窄束单能射线的指数衰减规律平均自由程 ：平均自由程表示一个光子受到一次作用而被物质吸收前走过的平均路程，因此1/表示光子走过单位距离的作用几率，所有1/=，即 =1/。第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用能量转移系数能量转移系数光子在于物质相互作用过程中，一部分能量转移为电子的动能，还有一部分能量由一些能量较低光子和改变了方向的光子带走。光子在吸收介质中穿行单位长度时，其能量在相互作用过程中转移给电子动能的份额，称作线能量转移系数。在瑞利散射中，光子能量不变。所以线能量转移系数可以写为：同样，可以给出能量转移系数第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用由前面的讨论可知其中：第三节第三节 和和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用能量吸收系数和辐射份额能量吸收系数和辐射份额电子从光子获得的动能，将通过碰撞和辐射等作用过程而损失掉，碰撞损失的能量会沉积在物质中，引起物质的电离和激发。辐射损失的能量则以较大的几率逸出作用区域。用g来表示电子在辐射中损失能量的平均份额，(1-g)就表示物质吸收电子能量的份额。那么物质对光子的线能量吸收系数同样，能量吸收系数为1932年初，约里奥，居里夫妇在实验室中拍摄到一张云室照片。这张照片清楚地记录了中子从含氢蜡片中打出反冲质子的径迹。但是居里夫妇竟然和这位人们期待十多年的来客擦肩而过。错误地认为是高能的compton散射，一个多月后。Rutherford的学生、英国物理学家Chadwich利用能量守恒和动量守恒原理，证实打出质子的射线不是射线而是一种质量和质子很接近的不带电的中性粒子，并命名为“中子”。为此，Chadwich获得了1935年的Nobel物理学奖。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用自由中子的质量比自由质子的质量略大一些，mn=939.5653MeV/c2。自由中子不稳定，自由中子会自发地发生衰变而转变成质子，放出(电子)和反中微子。自由中子的半衰期为(15)min。衰变方程为第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用中子源，即能够产生中子的装置，进行中子核反应、中子衍射等中子物理实验的必要设备。自由中子是不稳定的，平均寿命很短，无法长期储存，需要由适当的产生方法源源供应。主要方法有以下3种：放射性同位素中子源：体积小，制备简单，使用方便。(，n)中子源利用核反应 9Be 12Cn5.701MeV。将放射射线的226Ra 等 同金属铍粉末按一定比例均匀混合压制成小圆柱体密封在金属壳中。(，n)中子源利用核反应中发出的 射线来产生中子，有 24Na-Be 源等。加速器中子源：利用加速器加速的带电粒子轰击适当的靶核，通过核反应产生中子，最常用的核反应有（d，n）、（p，n）和（，n）等，其中子强度比放射性同位素中子源大得多。可以在很宽的能区上获得单能中子。加速器采用脉冲调制后，可成为脉冲中子源。反应堆中子源：利用原子核裂变反应堆产生大量中子。反应堆是最强的热中子源。在反应堆的壁上开孔，即可把中子引出，所得的中子能量是连续分布的。采取一定的措施，可获得各种能量的中子束。中子的特点是本身不带电，它在通过物质时主要是与原子核发生作用，而与原子的壳层电子几乎不作用。中子和射线一样在物质中也不能够直接引起电离，它主要靠和原子核相互作用产生能引起电离效应的次级电离粒子而使物质电离。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用超冷中子,冷中子(10MeV)。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用 中子与原子核发生何种作用过程，以及相互作用的截面的大小，密切地依赖于中子的能量和物质的性质。通常将中子按其能量作如下分类：中子与原子核的作用大致可分三种情况：弹性散射(弹性散射又分两类，一种势散射或形状弹性散射，另外一种是复合核弹性散。)形成复合核直接反应过程 第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用快中子和中能中子主要与核发生弹性散射。慢中子与轻核作用以弹性散射为主，与重核作用则以辐射俘获为主。热中子在任何物质中均以辐射俘获为主。非弹性散射一般只在中子能量大于0.1MeV时才能发生，且重核原子发生非弹性散射的几率比轻核大。放出带电粒子的中子俘获过程的截面很小，且只限于轻核。去弹性散射和散裂反应只有在高能中子情况下才能发生。对于辐射剂量学来说，重要的是研究中子与组成人体组织的元素间的相互作用。人体组织内轻元素氢、碳、氮、氧按重量计占全身的96，在肌肉中约占99。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用弹性散射弹性散射在弹性散射过程中，靶核获得动能后被反冲，中子则失去部分能量并偏离原入射方向发射出去。反冲核获得的动能EN大小，取决于入射中子的动能En和反冲角(反冲核出射方向与中子入射方向间的夹角)的大小。根据能动量守恒，可知第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用弹性散射弹性散射反冲角=0时，EN达到最大值 中子的非弹性散射是指在散射前后，中子和原子核的总动能不守恒的那一类散射。在非弹性散射过程中，中子将一部分动能转变为靶核的反冲动能和激发能，随后靶核退激发回到基态。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用非弹性散射存在一个阈能，即中子的动能大于靶核的第一激发能与靶核的反冲动能之和时，才可能发生非弹性散射。如果设靶核的第一激发态能量为E，则发生非弹性散射的阈能第四节第四节 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用轻核的第一激发能约为几个MeV，而重核的第一激发能只有100KeV左右，所以快中子与重核更容易发生非弹性散射。中子与原子核撞击，结果发射出的粒子不同于单个中子的相互作用，称为去弹性散射。例如：第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用在C、N、O等元素中，高能中子发生去弹性散射的能量损失占优势。(n，)反应通常称为辐射俘获反应。在此反应中，靶核俘获一个慢中子后形成一个处于激发态的复合核，然后它放出一个或几个光子而跃迁到基态。由于中子被靶核俘获后，大约要带进8MeV的结合能，因此放出的射线能量较高，一般为几个MeV。比如 第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用 原子核吸收高能粒子而分裂成几个核裂片并放射出若干个粒子的反应称为散裂。当中子能量达到100MeV时，散裂才是重要的。比如第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用快中子和中能中子与人体组织的相互作用，主要表现为在氢、碳、氮、氧原子核上的弹性散射。由于人体组织中氢原子核的数目最多(约占70)，中子与氢核碰撞时损失的能量最多，且快中子在氢核上的弹性散射的几率最大。因此，快中子与中能中子进入人体后，在氢核上发生的弹性散射起着重要的作用。快中子能量的8595，都是在弹性散射时交给反冲质子的。经过一系列弹性散射后，快中子逐渐耗损了自己的动能，成为能量较低的慢中子和热中子。能量直到100MeV的中子在生物组织所发生的最重要的相互作用如表所示。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用中子产生的带电粒子在组织中将被慢化，其慢化谱为第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用衰减和吸收衰减和吸收中子与物质相互作用的频率比带电粒子低很多，但是与光子相同，每次相互作用可引起中子能量或方向的较大改变，甚至是入射中子消失。与讨论光子一样，我们同样使用衰减系数和能量转移系数来对中子进行讨论。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用衰减系数衰减系数物质对不带电的粒子的质量衰减系数其单位为m2kg-1。而第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用衰减系数衰减系数第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用衰减系数衰减系数中子的衰减系数通常称为宏观反应截面，用表示，它是吸收介质和中子能量的函数。它与微观截面(每个原子核对中子的截面)的关系可表示为第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用衰减系数衰减系数是各种相互作用截面的总和，有第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用能量转移系数能量转移系数中子的质量能量转移系数，表示能量为E的一个中于在物质中穿行单位厚度(1kgm-2)时，由于各种相互作用，其能量转变为次级带电粒子初始动能的份额，即第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用若介质有各种核素组成，则第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用 则表示第J类反应对第L种元素的总能量转移系数所贡献的分数。对于氮、氧，图给出了直到30MeV不同中子能量下的这一分数的大小。右图表明，在中子能量超过几MeV时，由非弹性散射和各种核反应所导致的能量转移变得重要起来。在中于能量超过10MeV时，它们对能量转移系数则起着主要的影响。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用能量吸收系数能量吸收系数中子的质量能量吸收系数也是描述不带电粒子与物质相互作用的一个重要参数。第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用能量吸收系数能量吸收系数由于中子与物质相互作用产生的带电粒子都是重粒子，其轫致辐射的能量损失相比于其他过程的能量损失可以忽略不计，因此，中子的质量能量吸收系数等于质量能量转移系数第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用平均自由程平均自由程中子束在通过物质时，其强度随通过物质的厚度按指数衰减。表示中子在介质中穿过距离x而不受碰撞的概率。表示发生碰撞的几率，对两边微分，可得到中子在x到x+dx距离发生碰撞的概率在介质中中子在连续两次碰撞之间穿行的距离称为自由程。由于原子核的空间分布和中子运动的无规性，自由程有长有短，但对一定能量的中子，它的平均值是一定的，称为平均自由程，用t表示。显然，这个量应等于中子行进距离x对概率分布函数P(x)的平均值第四节第四节 中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用