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《射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用1（碩）ppt課件.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、電離輻射與物質(zhì)相互作用上海交通大學(xué)王德忠教授2013年3月13日作用機(jī)理電離輻射作用于物質(zhì)，所引起的某些物理、化學(xué)變化，或作用于生物體時(shí)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，幾乎都是通過(guò)帶電粒子把能量傳遞給物質(zhì)所引起的。帶電粒子的種類(lèi)很多，最常見(jiàn)的有電子、β射線(xiàn)、質(zhì)子、α粒子等。凡靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子，稱(chēng)為重帶電粒子，如μ介子、α粒子、被加速的原子核等。β射線(xiàn)和電子本質(zhì)上是相同的，通常所說(shuō)的電子是指核外電子，而β射線(xiàn)則是指原子核發(fā)射出來(lái)的高速電子。重帶電粒子μ介子是一種帶負(fù)電，質(zhì)量為電子207倍的基本粒子，壽命2.20微秒
2、，質(zhì)量為106MeV/c2。π介子是以下三種次原子粒子之一：π+、π0和π?，π介子是最重要的介子之一，在揭示強(qiáng)核力的低能量特性中起著重要的作用。π±：質(zhì)量139.6MeV/c2，平均壽命2.6×10-8sπ0：質(zhì)量135MeV/c2，平均壽命8.4×10-17sα粒子是一種放射性粒子，由兩個(gè)質(zhì)子及兩個(gè)中子組成，并不帶任何電子，亦即等同于氦-4的內(nèi)核，或電離化后的氦-4，He2+。射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的分類(lèi)重帶電粒子與物質(zhì)相互作用作用類(lèi)型作用類(lèi)型非彈性散射彈性散射入射粒子相對(duì)于核的質(zhì)量愈大，則散射愈小，對(duì)于重帶
3、電粒子，散射現(xiàn)象不太明顯電離激發(fā)損失能量的主要過(guò)程作用過(guò)程帶電粒子與物質(zhì)相互作用的過(guò)程是復(fù)雜的，主要過(guò)程是電離和激發(fā)，彈性散射和軔致輻射。其他過(guò)程有湮滅輻射、契倫科夫輻射、核反應(yīng)以及引起物質(zhì)化學(xué)變化等。電離：殼層電子獲得足夠能量，克服原子核的束縛成為自由電子，原子便被分離成一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子(合稱(chēng)離子對(duì))的過(guò)程。正離子e-庫(kù)侖作用+自由電子電離帶電粒子與靶原子的核外電子的非彈性碰撞導(dǎo)致原子的電離或激發(fā)，這種電離稱(chēng)為原電離由原電離產(chǎn)生的電子如果具有足夠的動(dòng)能，它也能使原子電離，這種電離稱(chēng)為次電離帶電粒子在
4、單位路程上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱(chēng)為比電離，比電離應(yīng)包括原電離和次電離產(chǎn)生的離子對(duì)激發(fā)激發(fā)：殼層電子獲得的能量較小，不足以使它脫離原子的束縛而成為自由電子，但由能量較低的軌道躍遷到較高的軌道上去的現(xiàn)象處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地躍回基態(tài)，這個(gè)過(guò)程叫退激。退激時(shí)，多余的能量常以光子形式釋放出來(lái)彈性散射彈性散射：帶電粒子與被通過(guò)介質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用，只改變運(yùn)動(dòng)方向，不改變能量。方向改變的大小與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān)，入射粒子相對(duì)于核的質(zhì)量愈大，則散射愈小。重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用能量低于100eV時(shí)，重帶電粒
5、子通常與核外電子發(fā)生彈性碰撞重帶電粒子與核外電子主要發(fā)生非彈性碰撞，可使原子發(fā)生電離或激發(fā)無(wú)論是電離或是激發(fā)都會(huì)導(dǎo)致重帶電粒子損失動(dòng)能，使其速度逐漸減慢直到最后停止運(yùn)動(dòng)平均電離能：使一個(gè)原子電離所需要的平均能量碰撞損失能量指帶電粒子與原子中電子碰撞損失的能量假設(shè)：帶電粒子運(yùn)動(dòng)較快；轉(zhuǎn)移的能量大于電子的束縛能；電子靜止且自由；碰撞為彈性碰撞滿(mǎn)足動(dòng)能守恒，動(dòng)量守恒μ介子與電子碰撞M=207m因此μ介子與物質(zhì)反應(yīng)時(shí)的路徑呈直線(xiàn)（與原子核的大角度反射除外）所有的重帶電粒子與此相似若電子質(zhì)量為m，π介子=270m，質(zhì)子
6、=1836m帶電粒子的能量損失一定能量的帶電粒子進(jìn)入物質(zhì)后，通過(guò)多次彈性和非彈性碰撞過(guò)程，其能量逐步減少，帶電粒子速度被慢化。帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失與帶電粒子的種類(lèi)、能量及吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。單位路徑上帶電粒子損失的能量稱(chēng)為帶電粒子能量損失率，或稱(chēng)為物質(zhì)對(duì)帶電粒子的阻止本領(lǐng)，用符號(hào)-dE/dX表示。阻止本領(lǐng)對(duì)于重帶電粒子而言，其與物質(zhì)反應(yīng)只發(fā)生彈性碰撞、電離和激發(fā)反應(yīng)，因此阻止本領(lǐng)是兩種成分的疊加：一部分是電子阻止本領(lǐng)，是入射粒子的能量轉(zhuǎn)移給靶物質(zhì)原子中的電子；另一部分是核阻止本領(lǐng)，就是能量轉(zhuǎn)移給靶物質(zhì)中
7、的原子核。原子核對(duì)入射離子的阻止作用稱(chēng)為核阻止。電子阻止核阻止阻止本領(lǐng)曲線(xiàn)阻止本領(lǐng)在低能區(qū)，電子阻止本領(lǐng)隨粒子速度減少而減少，一直降到零，而核阻止本領(lǐng)(-dE/dxn)卻隨速度的減少而很快增加（1/v2），核阻止本領(lǐng)超過(guò)電子阻止本領(lǐng)、達(dá)到最大值，最后再降到零。在高能區(qū)，對(duì)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)玻爾速度(2.2×106m/s)的重帶電粒子，核阻止本領(lǐng)是電子阻止本領(lǐng)的數(shù)千分之一。對(duì)于能量為10keV的質(zhì)子來(lái)說(shuō)，核阻止的貢獻(xiàn)約占總能量損失的1-2%，能量再高，這種貢獻(xiàn)更小，因而可忽略這部分貢獻(xiàn)。帶電粒子的能量損失電離能量損失
8、：理論計(jì)算表明，當(dāng)一個(gè)帶電量為ze，質(zhì)量為me，速度為v的帶電粒子進(jìn)入原子序數(shù)為Z的物質(zhì)時(shí)，其電離損失率為me為電子的靜止質(zhì)量；N為單位體積物質(zhì)中的原子數(shù)；B為阻止系數(shù)，它與入射粒子的種類(lèi)和能量有關(guān)。對(duì)于重帶電粒子，有效原子序數(shù)對(duì)應(yīng)于某種混合物或化合物的一個(gè)原子序數(shù)，該混合物或化合物與光子的相互作用和具有這一原子序數(shù)的單一元素與光子的相互作用是相同的混合物或化合物原子序數(shù)：Z1，Z2，……，Zk相應(yīng)
