第三章射线与物质的相互作用
一·电离：电离辐射非电离辐射
阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡
（电离只能由高能粒子发生）
粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子
剥离内层电子即激发过程（电离过程）2·退激发态：由高能态-低能态
直接电离与间接电离
直接电离：
间接电离：
强电离弱电离中等电离
二·
放射源接收器（检测器）
射程计算：电子对/距离- 电离强度
（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）
质量小- 作用于电子（核外电子）上
作用于物质时引起直接电离
致辐射：用轰击重金属核
（三）·伽马X射线
光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特
光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子
内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称
为俄歇电子
康普顿散射：0.2-5.0 电子伏特
部分能量被吸收剩余的继续作用
高能光子散射角度较小
低能光子散射角度较大
即受光子能量影响
电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子
正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相
同）但能量来源于之前的光子
光子与物质之间的作用>30种
原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）
（四）·中子
中子一般来源于核反应
快中子能量高速度快
弹性散射：小核
非弹性散射：大核
中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线
（大原子如铱192）
热中子：由快中子蜕变
阿尔法射线 与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发
贝塔射线
与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发， 致辐射 伽马射线 X 射线 光电反应 -----光子被吸收
康普顿散射----光子被散射
弹性散射------产生两个光子
中子 非弹性散射------ 光子
中子俘获-------其他辐射
单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领
阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1
辐射的生物学效应
1·能量吸收------皮肤出现红斑
2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能
核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换
即基因突变）
第三章射线与物质的相互作用 一·电离：电离辐射非电离辐射 阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡 （电离只能由高能粒子发生） 粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子 剥离内层电子即激发过程（电离过程） 2·退激发态：由高能态-低能态 直接电离与间接电离 直接电离： 间接电离： 强电离弱电离中等电离
二· 放射源接收器（检测器） 射程计算：电子对/距离 - 电离强度 （二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射） 质量小 - 作用于电子（核外电子）上 作用于物质时引起直接电离 致辐射：用轰击重金属核 （三）·伽马 X射线 光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特 光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子 内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称 为俄歇电子 康普顿散射： 0.2-5.0 电子伏特 部分能量被吸收剩余的继续作用 高能光子散射角度较小 低能光子散射角度较大
即受光子能量影响 电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相 同）但能量来源于之前的光子 光子与物质之间的作用>30种 原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对） （四）·中子 中子一般来源于核反应 快中子能量高速度快 弹性散射：小核 非弹性散射：大核 中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线 （大原子如铱192） 热中子：由快中子蜕变
快电子重带电粒子 快电子的速度大；重带电粒子相对速度小； 快电子除电离损失外，辐射损 失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而 损失能量； 快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹 近似为直线 阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发 贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线 X射线光电反应 -----光子被吸收 康普顿散射----光子被散射 弹性散射------产生两个光子 中子非弹性散射------ 光子 中子俘获-------其他辐射
第三节 X 射线与物质相互作用 我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等 一、X 射线的散射 X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。X 射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。 1、相干散射及散射强度 当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X 射线波长相同的散射X 射线，称为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。 按动力学理论，一个质量为m 的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R 处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为： I e =I 0)2 2cos 1(24224θ+C m R e 它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射因子。2 2cos 12θ+称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0)2 2cos 1(109.72226θ+?-R 从上式可见（书P5） 相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。 2、 非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射
这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。 二、X 射线的透射 X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。 X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。 三、X 射线的吸收 长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。 1、光电效应 电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子称为光电子。这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。 ① 荧光效应①② 指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外 层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的现象。 因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产 生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。 要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大 于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。因此产生某系激发都有一个某系激发的最长波长，即激发限。该波长必须满足λi = ι ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：
2.3光与物质相互作用的全量子理论 在本节，我们将以量子化辐射场与两能级原子的相互作用为例来阐述光与物质相互作用的全量子理论。 2.3.1原子系统与光波场的总哈密顿 在半经典理论中，单电子原子与辐射场的相互作用哈密顿为： e H H H F A ?-+= (2.47) 其中A H 和F H 分别代表无相互作用时的原子和辐射场的能量，代表电子的位置矢量，代表辐射场的振幅。当辐射场也被量子化后，我们有： ii i i i i A E i E H σ∑∑== (2.48a) ∑+=+ k k k k F a a H )2/1(ν (2.48b) ∑∑ ==j i ij ij j i j j i e e ,,σμ (2.48c) ∑++=k k k k k a a E )(ε (2.48d) 其中+k a 和k a 分别代表光子的产生和湮灭算符，j i ij =σ代表原子跃迁算符， j e ij =μ代表电偶极矩阵元，2/10)2/(V E k k εν =。于是，我们得到全量子理论中的哈密顿： ∑∑∑∑+++++=j i k k k ij ij k i ii i k k k k a a g E a a H ,)(σσν (2.49) 其中 /)(k k ij ij k E g εμ?-=。在此，我们已从第一项中略去了零点能。 对于一个两能级原子，考虑到ba ab μμ=，我们可令ba k ab k k g g g ==，于是方程（2.49）可进一步简化为： ∑∑+ ++++++=k k k ba ab k bb b aa a k k k k a a g E E a a H ))(()(σσσσν (2.50)
1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？ 答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。 （2）单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 （3）亮度极高：能量密度高。 （4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。 总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。 2、透镜对高斯光束聚焦时，为获得良好聚焦可采用的方法？ 答：用短焦距透镜； 使高斯光束远离透镜焦点，从而满足l>>f、l>>F； 取l=0，并使f>>F。 3、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？ 答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。 4、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？ 答：波长、温度、材料表面状态 波长越短，金属对激光的吸收率就越高 温度越高，金属对激光的吸收率就越高 材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。 5、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？ 答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。 应用：激光切割、打孔、焊接等。 高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。 6、试叙述激光相变硬化的主要机制。 答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。 7、激光淬火区横截面为什么是月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？ 特点：A,B部位硬化，C部位硬化不够 原因：A,B部位接近材料部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因此
第三章射线与物质的相互作用 上一章讨论了原子核的放射性。原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。本章讨论这些粒子与物质的相互作用。 本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应 β等等。 堆产生的各种各样的粒子，如n , , ,, ,3γ He x , d t a, 本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。通常叫做靶物质。 本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。 在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。 §１带电粒子与物质的相互作用 α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面： （1）射线（2）靶物质。不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。 对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等 再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
第二章 X射线及其与物质的相互作用
X-Rays and Their Interaction with Matter
Outline
2.1 X射线－波和光子(X-rays—Wave and Photons) 2.2 散射（Scattering） 电子 － 原子 － 分子（晶胞）－ 晶体 2.3 吸收（Absorption） 2.4 折射和反射（Refraction and Reflection） 2.5 相干 (Coherence) 2.6 磁的相互作用 (Magnetic Interactions)
§ 2.1 X射线－波/光子 (X-rays－Waves / Photons)
X射线: 波长λ～1 ? 量级的电磁波，或能量在～10 KeV的光量子.
常用术语含义由来： ? 软X射线：穿透能力弱－“软” ? 硬X射线：穿透能力强－“硬”
? 电磁波
单色平面波的描述：
r r r r r E (r , t ) = E0 cos ? ωt + k ? r + φ r r r r r H (r , t ) = H 0 cos ? ωt + k ? r + φ
(
(
)
)
角频率 ω： 波 矢 k： 横 波：
ω = 2πν = 2π / T r 2π r k= n λ
E ?k = H ?k = 0
为了计算方便，通常用复振幅描述一列波 rr i ( k ?r ?ωt ) 0
r r E (r , t ) = ε E e
I = EE
*
由电场强度矢量的复振幅可以计算光强
第三章光和物质的相互作用 Interaction of Radiation and Atomic Systems 激光的基本理论 电介质的极化 光和物质相互作用的经典理论简介 谱线加宽和线型函数 典型激光器速率方程 均匀加宽工作物质的增益系数 非均匀加宽工作物质的增益系数 ?光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）是激光器的物理基础 ?对大多数激光器，指光与组成物质的原子（或离子、分子）内的电子之间的共振相互作用 ? 强度特性（烧孔效应， 兰姆凹陷，增益饱和 等）
激光的基本理论 ?经典理论：用经典电动力学的Maxwell方程组描述 电磁场，将原子中的运动视为服从经典力学的振 子，也称为经典原子发光模型 ?半经典理论：采用经典Maxwell方程组描述光频电 磁波，而物质原子用量子力学描述（兰姆理论） ?量子理论：对光频电磁波和物质原子都作量子化 处理，并将二者作为一个统一的物理体系加以描 述（量子电动力学） ?速率方程理论：量子理论的简化形式，从光子 （量子化的电磁场）与物质原子的相互作用出 发，忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性 ?激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，它在原则上可以描述激光器的全部特性。 ?用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。 物质的能级结构 跃迁 物质都是由原子组成的，原子的经典模型可以看成是简谐振动的电偶极子。实际上原子模型要运用到量子概念。原子中的电子可以在一些特定的轨道上运动，处于定态，并具有一定的能量。这样一来．高中化学中学过了电子云实际就是电子态。处于不同电子态的原子具有不同的能量，称之为原子系统（电子）的能级。每种原于就有一系列的与不同定态对应的能级，各能级间的能量不连续。 波尔假说：（1922年诺贝尔物理学奖） 1.原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的 能量只能采取某些分立的值E1、E2、。。。E4，而不能采取其他值，这些定态能量的值叫能级。 2.只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出或吸收电磁辐射。 当原子从某一能级吸收了能量或释放了能量，变成另一能级时，我们就称它产生了跃迁。凡是吸收能量后从低能级到高能级的跃迁称为吸收跃迁，释放能量后从高能级到低能级的跃迁称辐射跃迁。 根据能量守恒定律，跃迁时所吸收或释放的能量必须等于发生跃迁的两个能级之间的能级差。
第三节X射线与物质相互作用 我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等 一、X射线的散射 X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。 1、相干散射及散射强度 当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散 射X射线，称为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。 按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为： I e =I 0) 2 2 cos 1 ( 2 4 2 2 4θ + C m R e 它表示一个电子散射X射线的强度，式中f e =e2/mC2称为电子散射因 子。 22 cos 12θ + 称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0) 2 2 cos 1 ( 10 9.72 2 26θ + ?- R 从上式可见（书P5） 相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。 2、非相干散射 当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射
这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。 二、X 射线的透射 X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。 X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。 三、X 射线的吸收 长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。 1、光电效应 电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子称为光电子。这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。 ① 荧光效应①② 指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外 层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的 现象。 因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产 生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。 要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大于 将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。因此产生某系激发 都有一个某系激发的最长波长，即激发限。该波长必须满足λi = ι ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：