_辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电离辐射与物质相互作用,核辐射与物质相互作用,重带电粒子与物质相互作用,射线,与物质相互作用,射线与物质相互作用,中子与物质相互作用,一、重带电粒子与物质的相互作用,1. 作用类型,概述,重带电粒子可与核外电子发生,弹性碰撞,，仅在其,能量低于100eV,时有意义，所以一般只考虑带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。,重带电粒子与核外电子发生,非弹性碰撞,的结果可使原子发生,电离或激发,。,1电离ionization),带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用，电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子次级电子，失去一个电子的原子那么变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。,原电离,次级电离由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离,1. 作用类型,1. 作用类型,1电离ionization),电子粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时，可以产生高能电子的电离，出射的电子,电子可以使物质原子再电离或激发,带电粒子通过物质,自由电子,正离子, + 靶原子 ,正离子,+,电子,+ ,4,He + Ar ,Ar,+,+,e,-,+,4,He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：,正离子和自由电子,+,e-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,库仑作用,1. 作用类型,电离密度ionization density )：,带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数，单位为离子对/厘米。,比电离应包括原电离和次电离产生的离子对,2) 激发(excitation),带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量缺乏以使壳层电子脱离轨道，那么从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发,原子退激激发态的原子不稳定，处在高能态的电子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的能量,1. 作用类型,3散射scattering ),带电粒子通过物质时，因受物质原子核库仑电场作用，与带正电的原子核发生库仑排斥作用而改变其本身的运动方向，称为散射。,入射粒子相对于核的质量愈大，那么散射愈小。对于重带电粒子，散射现象不太明显，可以不予考虑,1. 作用类型,1. 作用类型,电离和激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的主要能量损失。,1传能线密度linear energy transfer,LET ),带电粒子在一种物质中穿行时单位长度路径上与电子碰撞粒子能量的损失。单位是MeVcm-1,2.几个重要概念,2.几个重要概念,2带电粒子在物质中的射程,任何一种带电粒子在进入物质以后，通过与物质相互作用而不断地损失能量。如果物质的厚度是足够的，带电粒子最终将完全停留在物质中，这种现象称为物质对带电粒子的吸收，这种物质称为吸收物质。,带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符号R表示。,如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程多少，就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。,2.几个重要概念,相同能量的同一种带电粒子在不同物质中的射程有经验公式：,式中,a,和,b,、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密度与相对原子量。,重带电粒子在物质中的射程与能量的关系,2.几个重要概念,在其它物质中的射程R可用在空气中的射程Rair进行换算，其公式如下：,式中，A和分别表示吸收物质原子的质量数和密度单位为g/cm3，R的单位为cm。,在其它物质中的射程：,2.几个重要概念,带电粒子的射程和路程,射程和路径的区别,2.几个重要概念,3射程歧离,一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。,相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这种现象称为射程歧离。,产生这种现象的原因,每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于每个粒子都必须经过屡次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差异并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。,3. 阻止本领,带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称为电离能量损失。,把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号,表示。,脚标“ion表示是由入射粒子使原子电离或激发所引起的能量损失。,3. 阻止本领,式中：Z：重带电粒子的电荷数；,e：一个电子的电量，等于1.60210,-19,C;,Z：物质原子的原子序数；,N：物质在单位体积中包含的原子数目；,c：光速；,V,：重带电粒子的速度；,m,e,：电子的静止质量,I ：物质原子中电子的平均等效电离电位。,阻止本领的表达式：,-,-,-,-,=,-,2,2,2,2,2,e,2,4,2,1,ln,2,ln,4,c,c,Z,C,I,m,NZ,m,e,z,dx,dE,K,e,ion,u,u,u,u,p,3. 阻止本领,(1) 与重带电粒子电荷数的平方成正比。如果粒子和质子的速度相等，物质对粒子的阻止本领是对质子阻止本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力也就愈弱。,(2) 与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子的质量确实切数值就对阻止本领没有影响了。,阻止本领表达式重要结论1：,3. 阻止本领,(3) 与重带电粒子的速度有关。当速度较小时，可以近似地认为电离能量损失率与速度的平方成反比，对数项的数值影响不大；当速度比较高时，项变化很小，对数项的影响较大。,(4) 与物质的电子密度NZ成正比。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，那么此种物质对重带电粒子的阻止本领也越大。,阻止本领表达式重要结论2：,二、射线与物质相互作用,1. 与物质的相互作用,快速电子或射线正电子和电子与物质发生三种相互作用：非弹性散射、弹性散射和轫致辐射。,由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大差异。,快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量损失率接近电离损失率。,2. 弹性散射,弹性散射概念简称散射,电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但电子的运行方向变化很大，,电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大。,2. 弹性散射,屡次散射和反散射,电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“屡次散射。,电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过屡次散射，最终散射角可以大于900，甚至可能是折返去，这种大于900的散射称为反散射。,弹性散射,粒子屡次散射和反散射的应用,在放射源的活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都利用原子序数Z低的物质，这是因为Z低，原子核的库仑场作用小一些。,在进行源活度的绝对测量时，必须对放射线的反散射衬托物的反射因素造成计数的增长予以修正，利用射线的反散射计数变化与散射体厚度的关系，可以做成反散射厚度计来测量各种金属薄层及胶片、塑料布等材料的厚度，这是射线反散射技术的一项专门应用。,3. 非弹性散射,非弹性碰撞,当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系功能不守恒，入射电子将自己的一局部能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发,电子电子碰撞：实质上是静电相互作用。,快速运动电子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用，速度大小和运动方向都发生变化，一局部能量以电磁波的形式辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。,4 轫致辐射bremsstrahlung ),电子打在荧光屏上产生X射线,电视机显像管,特征: x 射线能量连续,0 E,Max,(电子能量),电视机 高压15 kV,电子束能量15 keV,x 射线能量 0 -15 keV,产生机制,原子核,4 轫致辐射,当+ 粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子e -结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为Mev 的 光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。,5 湮没辐射annihilation radiation ),正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511,MeV,的 光子。,e+ + e- + ,me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV,质量转化为能量 转化效率 (100 %,5 湮没辐射,6 吸收和射程,吸收,无论是单能电子束，还是能量连续分布的,射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。,6 吸收和射程,为何不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况,2在物质中的路径和射程,6 吸收和射程,3射线的射程,一束单能粒子具有平均射程，这个射程与粒子能量有关，对于射线来说，因为粒子的能量是从零到E最大连续分布，所以各个粒子的射程差异很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和屡次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差异也是很大的，所以不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况。,4) 射线与射线电离效应比较, 射线, 射线,径迹 粗 直 细 弯,电离作用强,电离作用严重,产生离子对数目多,电离作用, Z,1,Z,2,/v,2,Z,1,入射粒子原子序数,Z,1,靶粒子原子序数,v 入射粒子速度,实验结果,6 吸收和射程,三、 射线与物质的相互作用,射线对物质的电离,作用:两步过程,三种作用效应,光电效应,康普顿效应,电子对效应,产生次级电子,电离效应,次级电子使,物质原子电离,射线,第 1 步,初级作用,第 2 步,次级作用, 光子与物质原子相撞时，把全部能量交给原子的一个轨道电子，光子本身消失，电子获得能量后成为高能电子而摆脱原子核的束缚成为自由电子，使物质电离，此过程称为光电效应。光子能量越低，物质原子序数越大，发生光电效应的几率也越高。,1光电效应 photoelectric effect),自由电子,作用机制,光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。, + A A* + e- 光电子,原子 ,A + X 射线,原子,受激原子,1)光电效应,当 光子与核外电子发生非弹性相撞时，将局部能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为时，该效应比较明显。,2康普顿吴友训效应Compton-Wu effect),当入射光子能量大于MeV时，光子在原子核的库仑电场作用下， 射线消失，转换成一对正负电子二者又可结合转化为光子 ， 此过程称为电子对生成。电子对效应通常发生在能量较大的光子。,3)电子对生成pair production),能量1.02 MeV 的射线,与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M + e+ + e- 1 + 2,1.02 MeV me me,根本条件： 射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量,M = E /C,2,3)电子对生成,三种效应与原子序数和光子能量的关系,4) 瑞利辐射,瑞利散射,当光子能量很低时，它进入物质后与原子壳层电子发生弹性碰撞，受到电子的散射，瑞利散射的几率用,R,表示：,R常量,Z，N物质原子序数与原子密度,E,入射 光子的能量,四、,中子与物质的相互作用,一作用类型,中子与物质中原子核碰撞时把局部能量传给原子核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质电离和激发。,1) 弹性碰撞(elastic collision),1) 弹性碰撞(elastic collision),在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内能没有变化，它仍保持在基态，散射前后中子靶核系统的动能和动量守恒，可以把这一过程看作“弹性球式的碰撞，对此种过程，可根据动能和动量守恒，用经典的方法来处理。,快中子冲入物质原子核内，把局部能量传给原子核，使核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发态核从中子得到能量以 光子的形式释出，原子核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞。,2) 非弹性碰撞( inelastic collision,),2) 非弹性碰撞( inelastic collision,),非弹性碰撞中，入射中子的一局部通常为绝大局部动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，然后靶核通过发射射线又反射回到基态。散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。只有入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时才能使靶核激发，即只有入射中子的能量高于某一数值时才能发生非弹性散射，非弹性散射具有阈能的特点,慢中子被物质原子核俘获后，形成稳定或不稳定的新核素，这种现象称中子俘获。常被用来生产人工放射性核素,中子俘获包括(n, ),(n,f),(n, )(n,p)四种类型反响,中子俘获,中子俘获,1辐射俘获 (n, )反响,中子俘获,(2) (n, )(n,p)等反响,中子俘获,(2) 核裂变,二作用特点,弹性散射：运动方向改变,非弹性散射：中子的一局部能量使核,激发、产生光子,A.,中子不与原子核外层电子发生作用,B、中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内,同原子核发生作用引起核反响,1与 H 原子核的弹性碰撞,传递能量 质子跑出来 中子被慢化,n + H n + p,第一步 打出质子载能,第二步 质子引起物质电离,慢化剂:轻水(1H2O),重水(2D2O),n,H,n,n,p,电离,2 中子核反响,例如( n,p)反响,n + 14N 14C + p,第一步 核反响产生质子,第二步 质子对物质产生,电离作用,n,p,电离,14,N,14,C,人体有大量,H,和,N,原子,中子对人体电离效应严重,伤害也严重,1,2,C.,穿透力强,三中子在物质中减弱过程结论,结论1,快中子在物质中减弱包括两个过程：快中子的慢化；慢中子的吸收。,快中子慢化的相互作用过程是中子与原子核的弹性碰撞和非弹性碰撞。,非弹性碰撞能量在几个MeV以上快中子主要通过与高原子序数的原子核发生非弹性碰撞降低能量。非弹性碰撞时入射中子一局部动能转变为原子核的激发能，激发核退激时会发射光子。,为使原子核到达激发态，中子能量必须高于原子核的第一激发态能量，所以发生非弹性碰撞要求中子能量大于阈值。,对不同原子核，阈值大体在,之间，原子序数高的重原子核阈值低，这种非弹性碰撞的几率随入射中子能量增大而增大。所以高原子序数的重物质对高能中子的慢化非常有效。,例如,10MeV,左右的快中子只要与铁原子核发生很少次非弹性碰撞，就能把能量降到,1MeV,左右。,能量低于,1-2MeV,的快中子慢化主要通过与轻原子核的弹性碰撞。,中子与氢的弹性碰撞几率最大，而且每一次碰撞中转移给反冲质子的能量也最多，所以氢是能量在,1-2MeV,以下快中子的最好的慢化剂。,由于弹性碰撞截面随中子能量降低而增大，所以在含氢多的材料中，中子经受一次碰撞后，再次受到碰撞的几率增大，结果导致中子能量很快降低到热中子水平，最后被吸收。,结论2,热中子可以较容易地被任何原子核吸收。其过程是中子与原子核形成处于激发态的核，该核退激时会发射光子。这个过程叫做中子的辐射俘获。,除少数核素(如Li等)外，这种热中子的俘获总伴随发射射线，称为俘获辐射。吸收作用使中子不复存在，中子被吸收的主要反响是辐射俘获反响，即n、反响。,结论3,结论5,散射和吸收都使原子核发生某种变化，常伴随着有次级带电粒子或,射线的发射。因此，中子的屏蔽一般较为复杂，除考虑减弱过程和吸收过程外，还应考虑,射线的屏蔽。,强透射性,射线具有穿透物质的特殊能力。不同的射线种类穿透能力是不一样的。其中，,、,穿透力很小，,射线一张纸就可以隔离，,射线一层金属薄板也可以隔离，,穿透力最强，必须非常厚的混凝土或铅块才能阻挡。因此，人们害怕的放射性主要是指,射线。,三种射线穿透性的比较,射线的穿透力,1903年 索迪第一次提出：,人们一旦驾驭原子核内存在的神秘力量就会带来,或造福世界或消灭世界的后果。,不 能 忘 记 的 告 戒 ！,1913年 一本轰动一时的科幻小说?解放了的世界?,书中令人惊奇地指出：,1933年发现了人工放射性，描写了原子能工业军事上的应用。地球上一些大城市在1956年发生的世界大战中，消灭于大火与核辐射。小说结局令人快乐：在意大利马假设湖畔举行了和平会议，劫后余生的人们建成了一个新世界，被解放的人们充分利用原子能带来的好处。,放射性核素 利 弊,1903年 皮埃尔 居里在领取诺贝尔奖时说：,“人们可以设想，镭在罪恶的手里会变得十分危险。 这里，我们要问：人类认识自然界的秘密究竟有什麽好处？即使这种认识对人类无害，那麽人类是否已经成熟到能够利用它的地步？ 他在列举了诺贝尔创造炸药的用途之后，乐观地指出：“我属于与诺贝尔有相同观点的人之一，人类从新的发现中获得的好处将比害处多得多。,1. 原子核可以提供：,1巨大的能量,2强有力的射线,2. 人们可以掌握它，但是对于物质中蕴藏着的无限能量，有人做玫瑰色的梦，梦想利用它融化极地的冰川，消除沙漠，建成地球上的天堂；有人做黑色的梦，梦想用大量的放射性炸弹消灭城市和文明。有时梦梦相随，幸福大同世界与世界的废墟交映出现。,