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核辐射物理与探测学

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核辐射物理及探测学期末总结

核辐射物理及探测学期末总结

核辐射物理及探测学期末考前总结复习重带电粒子与物质的相互作用1、特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。

2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1) 能量损失率(Specific Energy Loss)对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。

电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。

由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。

电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。

对同种材料，电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。

反散射的利用与避免对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。

A)A) 对对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。

B)B) 对γ 射线与物质的相互作用特点：γ光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子； 次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

γ射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。

总截面等于各作用截面之和，即：pc ph σσσσ++=作用截面与吸收物质原子序数的关系5Z ph ∝σZ c ∝σ2Zp ∝σ总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。

光电效应康普顿散射电子对效应第七章辐射探测中的概率统计问题辐射探测器学习要点：�探测器的工作机制；�探测器的输出回路与输出信号；�探测器的主要性能指标；�探测器的典型应用。

第八章气体探测器Gas－filled Detector•电离室–工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子－离子对，电子－离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。

第一章 原子核的基本性质(2016-2)_824805321

第一章 原子核的基本性质(2016-2)_824805321
2016年9月14日，第二课
（2）、中子的发现与原子核的组成
发现中子之前，人们猜测原子核是 由质子和电子组成的。 这个假设可以解释原子核的质量和 电荷。
但也遇到了不可克服的困难。 与实验和理论不符。
例子：
氦核(质量数4，电荷数＋2)的大小为：d 5fm
假设氦核中有电子，那么电子的德布罗意波长 不能大于2d，即 10fm
C
C
C
核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同， 就是不同的核素。
208 86 90 38 60
Tl Sr Co 60 Co
Pb Y Co 60m Co
208 82 91 39 58
两种核素，A同，Z、N不同。 两种核素，N同，A、Z不同。 两种核素，Z同，A、N不同。 两种核素，A、Z、N同，能态不同。
（N，Z）不同→半衰期不同，为什么？
Z N
1.1 原子核的组成、质量和半径 1.2 原子核稳定性及核素图
1.3 原子核的结合能（第一章重点）
1、原子核的结合能 2、质量亏损与质量过剩 3、比结合能及比结合能曲线
• 1932年查德威克(J. Chadwick)发现中子。
用 粒子轰击铍，铍放射出穿透 力很强的中性粒子，可以将含氢物 质中的质子击出，并证明其有与质 子相近的质量。 9 12
Be C n
1891～1974
(1935年诺贝尔奖)
实验中放出的是中子，而不是高能。
一些与发现中子的荣誉擦肩而过人
稳定核素的奇偶分类表：
Z e e o o N e o e o 名 称 偶偶核 偶奇核 奇偶核 奇奇核 稳定核素数目 167 56 53 9
偶偶核最稳定，稳定核最多； 为什么偶偶核最稳 其次是奇偶核和偶奇核；而奇 定？ 奇核最不稳定，稳定核素最少。 稳定 实验表明，当质子、中子数目取某些数值的时候， 原子核特别稳定，这些数称为幻数： 壳层 Z ＝ 2，8，20，28，50，82 模型 N ＝ 2，8，20，28，50，82费米子

原子核物理及核辐射探测学第6章习题答案new(免费)

原子核物理及核辐射探测学第6章习题答案new(免费)


e t 0.001 t
该γ射线减弱 1000 倍。
ln1000


6.91 11.52cm ， 即需要 11.52cm 厚的铅方可使 0.6 / cm
6-13 解：Βιβλιοθήκη e e d2 d1
N1 ) N1 N2 N2 d 2 d1
ln(
大于 0.3 cm。 6-2 （1）空气中射程为： 0.318 E 3.88 cm
1.5
（2）产生的电子粒子对数：
5.3MeV 1.51 105 35eV
（3）设在空气中和 ZnS 中射程分别为 R0, R1 ，则
R1 0 A1 1.226 103 50% 65 50% 35 R0 4.1 1 A0 78% 14 22% 16 R1 2.13 103 cm
Ee E h ， Pe P
h c
但我们知道，电子的动能可以如下计算得到：
Ee mec 2 m0c 2 Pec 2 ( m0c 2 ) 2 m0c 2 ，若 Ee E h ，则有：
Ee Pe c 2 (m0c 2 )2 m0c 2 Ee m0c 2 Pe c 2 ( m0c 2 ) 2 h m0c 2 ( h ) 2 ( m0c 2 ) 2 ( h ) 2 (m0c 2 )2 2h m0c 2 ( h ) 2 (m0c 2 )2 2h m0c 2 0
h 代入光子的能量 2.04MeV， 电子质量 0.511MeV tg ， m0c 2 2
需要做个转换： 1 ctg
和 20 度角，得到 ctg 20 1 度方向的能量为：

2.04 tg 57.65 ，于是康普顿反冲电子在 20 0.511 2

核辐射物理及探测学答案

核辐射物理及探测学答案

核辐射物理及探测学答案核辐射物理及探测学是研究核辐射的性质、产生机制、相互作用规律以及辐射测量和探测技术的学科。

下面是核辐射物理及探测学的答案参考：1. 什么是核辐射？核辐射是指核物质发生放射性衰变时释放出的高能粒子或电磁波的过程。

常见的核辐射有α粒子、β粒子和γ射线。

2. 核辐射的产生机制是什么？核辐射的产生机制主要包括原子核的自发衰变和核反应两种形式。

自发衰变是核物质内部没有外界原因的情况下自动发生的衰变过程，而核反应是核物质与其他物质相互作用时发生的核变化过程。

3. 核辐射与物质的相互作用规律有哪些？核辐射与物质的相互作用规律包括电离作用、激发作用和相互作用距离的特性。

电离作用是指核辐射通过与物质内部原子或分子的相互作用，将其电子从原子或分子中脱离的过程；激发作用是指核辐射使物质原子或分子的能级发生变化，但并没有电离的过程；相互作用距离的特性指的是不同类型的核辐射在物质中的相互作用长度和穿透深度的区别。

4. 核辐射的测量与探测技术有哪些？核辐射的测量与探测技术主要包括电离室、半导体探测器、闪烁体探测器、核废液谱仪等。

电离室是一种通过测量核辐射在气体中电离产物的形成量来确定辐射强度的装置；半导体探测器利用半导体材料特殊的电子结构对核辐射进行测量；闪烁体探测器则是利用某些材料在受到核辐射后会产生可见光信号的特性进行测量；核废液谱仪是一种用于测量放射性废弃物中放射性核素种类和浓度的仪器。

5. 核辐射的应用有哪些？核辐射的应用涉及核能、医学、工业等领域。

在核能方面，核辐射被用于核电站的能源生产；在医学方面，核辐射被用于放射治疗、核医学诊断等；在工业方面，核辐射被用于材料检测、气候变化研究等。

此外，核辐射还被用于食品辐照处理、碳测年等。

核辐射探测技术知识-第二章

核辐射探测技术知识-第二章
它服从法诺分布。
离子对数的方差
2 F E0
W
式中F<1，为法诺因子，可查表得到。
被激发原子的退激方式：
辐射光子。发射波长接近紫外光的光子， 这些光子又可能在周围介质中打出光电 子，或被某些气体分子吸收而使分子离 解。
发射俄歇电子。
上述两过程均在10-9秒内完成。
亚稳原子：某些受激原子处于禁戒的激 发态，不能自发的退回基态，只有当它 与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激， 它的寿命约10-4～10-2 s，称为亚稳原子。
对于正离子：
在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得 的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。 离子的平均动能与没有电场的情况相似，为：
1 Mv2 3 kT
2
2
离子漂移速度
k为波尔兹曼常数； T为气体的绝对温度。
u
E
P
电场强度 气体压强
离子的迁移率 约化场强
离子的迁移率可表示为：
温度，正负离子的相对速度等有关。
一旦形成了负离子，其运动速度远小于电 子，正离子与负离子的复合系数要比正离 子与电子的复合系数大得多。
复合的结果是把许多有用信号给复合掉， 使有用的信号减少。因此，复合现象在 探测器正常工作中应尽量避免。
4 漂移
离子和电子由于外加电场的作用沿电场方向运 动，这种运动称为“漂移运动”，定向运动的 速度为“漂移速度”。
如果在电场中同一点引入一负电荷 e ，它
将在ab两极板上分别感应一定的正电荷，分
别运极动板为时 上q，感1 则应和电a极荷q板2上q。2感当应减负电少电荷。荷整沿q个1电过增场程加反中，方，而向流b
过外回路的总电荷量为：
q q2
相应在外回路流过电流为i (t)，电流方向与

核辐射物理基础

核辐射物理基础

q1 q2 e
x q1 e d dx q2 e d
即正电荷靠哪个极板近，那个极板上 产生的感应电荷多。 第三步：当 e 电荷沿电场向收集极运动， 则上极板a上感应电荷 q1 减少，下极板b上 感应电荷 q2 增加。且 q1 q2
这就相当于感应电荷从外回路流过， 即在外回路流过电流 i +(t)。
1. 由于外加电场的加速作用,电子与正离子将被电场拉开而沿 电场方向漂移; 2. 电子和离子因空间分布不均匀而由密度大处向密度小处扩散; 3. 电子被中性气体分子俘获, 形成负离子; 4. 正负离子复合, 形成中性分子。
A、离子和电子在外加电场中的漂移
由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。
这种运动称为“漂移运动”，定向运 动的速度为“漂移速度”。
探测器的主要性能指标；
探测器的典型应用。
第八章
气体探测器
Gas－filled Detector
气体探测器：以气体为工作介质，由入 射粒子在其中产生电离效应引起输出电 信号的探测器。 电离室
正比计数器 盖革-弥勒计数器
8.1 气体中离子与电子的运动规律 1、气体的电离与激发
电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程
q1 q2 e
q1 q2
a
V0
e
b
i (t )

正离子漂移所引起的负感应电荷在回 路中流过的电荷量为： q
1
第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间， -q1 全部由a极板经外回路流到b极板，b极 板上的感应电荷：
q1 q2 e
q q1
当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电 荷中和。外回路电流结束，流过外回路的 总电荷量为：

第5章_核裂变与核聚变_473105992

第5章_核裂变与核聚变_473105992
18 / 54
阈能核裂变
Bn (Z, A+1) < Eb
以238U为例
n+
238
U→
239
U → X +Y
*
若仍为热中子
Tn = 0.0253eV ≈ 0
E = ∆ ( 92,238) + ∆ ( 0,1) − ∆ ( 92,239) = 4.806MeV
*
而239U的裂变势垒：
Eb = 6.2 MeV
5 / 54
§5.1 原子核的裂变反应
一．自发裂变 二．诱发裂变 三．裂变后现象 四．链式反应和核反应堆 五．原子武器
6 / 54
一. 自发裂变
自发裂变
(spontaneous fission)
没有外来粒子轰击，原子核自行 没有外来粒子轰击，原子核自行 裂变的现象 的现象。 裂变的现象。
A Z
自发裂变的 一般表达式
8 / 54
自发裂变半衰期T 自发裂变半衰期 1/2(SF)与Z2/A的关 与 的关 系：
① T1/2(SF)随Z2/A的增加而急剧地减少； ② 同一元素的lg T1/2(SF)值几乎都落在一条抛 物线上； ③ Z2/A的值差不多大小时，奇奇核、奇A核的 T1/2(SF)值比偶偶核的高103～106数量级。
10
−14
s
5.初级产物β-衰变到稳定核素
在连续β衰变过程中，有些核素可能具有较高的激发 能，可以发射中子，称为缓发中子。
27 / 54
> 10 s
−1
裂变碎片的质量分布
裂变碎片按质量分布的产额。考虑二分裂情 况，X 和 Y的质量分布：
对称分布：
Z ≥ 100 和 Z ≤ 84 AX=AY，称为对称裂变

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学

习题集第一章习题1-1 当电子的速度为2.5×108m ·s -1时, 它的动能和总能量各为多少MeV? 1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时, α粒子的质量为多少u? 合多少g?1-3 t=25℃, p=1.013×105Pa 时, S+O 2→SO 2的反应热q=296.9kJ ·mol -1, 试计算生成1molSO 2时体系的质量亏损。

1-4 1kg 的水从0℃升温至100℃, 质量增加了多少? 1-5 试计算239U, 236U 最后一个中子的结合能。

已知：()MeV 307.47238,92=∆；()MeV 572.50239,92=∆；()MeV 916.40235,92=∆；()MeV 442.42236,92=∆。

1-6 当质子在球形核里均匀分布时，原子核的库仑能为RZ Z e E c 024)1(53πε-=Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m 15105.1-⨯。

试计算C 13和N 13核的库仑能之差。

1-7 已知：()MeV 125.313,6=∆；()MeV 346.513,7=∆。

计算C 13和N 13核的结合能之差； 1-8 利用结合能半经验公式，计算236U, 239U 最后一个中子的结合能, 并把结果与1-5题的结果进行比较1-9 计算K 42原子核每一个核子的平均结合能？1-10利用结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进行比较, 说明质量公式的应用范围。

u Cu M 929756.63)(64=；u Ag M 905091.106)(107=；u Ce M 905484.139)(140=；u U M 050786.238)(238=；1-10利用结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进行比较, 说明质量公式的应用范围。

第一章 原子核的基本性质

第一章 原子核的基本性质
K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, P.2,3
4 /193
（3）重要的常量
• 阿伏伽德罗常数——联系了宏观与微观 › NA=6.02214199×1023/mol • 普朗克常量——能量、角动量的量子化，不确定度关系 › h = 6.62606876×10-34J· s = 4.13566727×10-22MeV· s › ħ =1.054571596×10-34J· s = 6.58211889×10-22MeV· s • 真空中的光速——越微观，越高速，必须考虑相对论效应 › c =2.99792458×108m/s • 基本电荷——质子、电子、原子核的电荷量 › e =1.602176462×10-19C • 真空中介电常数 › ε0 =8.854187817×10-12F/m
• 粒子性：particles of light
– 1900：Planck，黑体辐射 – 1905：Einstein，光电效应
– de Broglie 1924年提出实物（静质量非0）粒子也具有波 粒二象性。
de Broglie wavelength:
h p
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物质波的实验证实
C60分子的 干涉图像
有关核物理的理论与实验工作对20世纪的物理学发展起到了重要的作用。 核物理所涉及技术的应用范围和影响，超过了其它任何学科。
……. No other field of science comes readily to mind in which theory encompasses so broad a spectrum, from the most microscopic to the cosmic, nor is there another field in which direct application of basic research contain the potential for the ultimate limits of good and evil. K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, P.2

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学习题集第⼀章习题1-1 当电⼦的速度为2.5×108m ·s -1时, 它的动能和总能量各为多少MeV? 1-2 将α粒⼦的速度加速⾄光速的0.95时, α粒⼦的质量为多少u? 合多少g?1-3 t=25℃, p=1.013×105Pa 时, S+O 2→SO 2的反应热q=296.9kJ ·mol -1, 试计算⽣成1molSO 2时体系的质量亏损。

1-4 1kg 的⽔从0℃升温⾄100℃, 质量增加了多少? 1-5 试计算239U, 236U 最后⼀个中⼦的结合能。

已知：()MeV 307.47238,92=?；()MeV 572.50239,92=?；()MeV 916.40235,92=?；()MeV 442.42236,92=?。

1-6 当质⼦在球形核⾥均匀分布时，原⼦核的库仑能为RZ Z e E c 024)1(53πε-=Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m 15105.1-?。

试计算C 13和N 13核的库仑能之差。

1-7 已知：()MeV 125.313,6=?；()MeV 346.513,7=?。

计算C 13和N 13核的结合能之差； 1-8 利⽤结合能半经验公式，计算236U, 239U 最后⼀个中⼦的结合能, 并把结果与1-5题的结果进⾏⽐较1-9 计算K 42原⼦核每⼀个核⼦的平均结合能？1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

u Cu M 929756.63)(64=；u Ag M 905091.106)(107=；u Ce M 905484.139)(140=；u U M 050786.238)(238=；1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

核辐射物理与探测学课后习题

核辐射物理与探测学课后习题

第一章 原子核的基本性质1-1 当电子的速度为18105.2-⨯ms 时，它的动能和总能量各为多少？ 1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 1-5 已知()()92,23847.309,92,23950.574MeV MeV ∆=∆=()()92,23540.921,92,23642.446MeV MeV ∆=∆=试计算239U ，236U 最后一个中子的结合能。

1-8 利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。

第二章 原子核的放射性2.1经多少半衰期以后，放射性核素的活度可以减少至原来的3%,1%,0.5%,0.01%?2.7 人体内含%18的C 和%2.0%的K 。

已知天然条件下C C 1214与的原子数之比为12102.1，C 14的573021=T 年；K 40的天然丰度为%0118.0，其半衰期a T 9211026.1⨯=。

求体重为Kg 75的人体内的总放射性活度。

2-8 已知Sr 90按下式衰变：Zr Y Sr h a 9064,901.28,90−−→−−−−→−--ββ(稳定) 试计算纯Sr 90放置多常时间，其放射性活度刚好与Y 90的相等。

2-11 31000cm 海水含有g 4.0K 和g 6108.1-⨯U 。

假定后者与其子体达平衡，试计算31000cm 海水的放射性活度。

第三章 原子核的衰变3.1 实验测得Ra 226的α能谱精细结构由()%95785.41MeV T =α和()%5602.42MeV T =α两种α粒子组成，试计算如下内容并作出Ra 226衰变网图（简图）（1）子体Rn 222核的反冲能；（2）Ra 226的衰变能；（3）激发态Rn 222发射的γ光子的能量。

3.2 比较下列核衰变过程的衰变能和库仑位垒高度：Th He U 2304234+→； Rn C U 22212234+→； Po O U 21816234+→。

(1)核辐射探测基础知识

(1)核辐射探测基础知识

28
怎样区分 Rn-222; Rn-220 ?
29
2.放射性平衡
与1克铀平衡时镭是多少？ λ N N Ra = U U λ Ra 226 Ra = × N Ra 23 6 . 023 × 10 λ N 226 = × U U 6 . 023 × 10 23 λ Ra
4 . 91 × 10 226 = × 23 6 . 023 × 10 1 . 37 × 10 − 11 = 3 . 4 × 10 − 7 克
20
1.基本规律
在 t 到 t + dt 的时间间隔内，原子的衰变数 dN 与存在的原子总数 N 成正比。
− dN = λ Ndt dN = −λN dt
N
∫
N
0
dN N
t
= −
∫
0
λ dt
0
ln N = ln N N = N
0e −λt
− λt
21
1.衰变常数
每个原子在单位时间内衰变的几率， 量纲 t-1(秒-1、日-1、年-1）
基态 ↓γ 0.059MeV,99.7% ↘ β 0.31MeV ↓γ 1.17MeV 60 ↓γ 1.33MeV 28 Ni 基态
13
铀系
uranium series
U - 238
钍系
thorium
series
Th- 232
锕铀系
actinium uranium series U- 235
镎系
neptunium series
8
２. β衰变 137
β 衰变；
−
Cs →137 Ba + β − 55 56
137 55
Cs
30 年 0.51 MeV ↘ 92 % ↓γ 0.661 MeV ↓ 基态 β

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学概述核辐射物理及探测学是研究核辐射现象的一门学科，主要涉及核辐射的性质、产生机制、相互作用以及探测技术等方面的内容。

核辐射是指从原子核中放射出的高能粒子或电磁波。

了解和研究核辐射物理及探测学对于核能安全、医学影像学、环境监测等领域都具有重要意义。

核辐射的种类和性质核辐射主要分为三种类型：α粒子、β粒子和γ射线。

α粒子由两个质子和两个中子组成，具有正电荷，解离能力强，穿透能力弱；β粒子可分为β-粒子和β+粒子，分别由电子和正电子组成，具有中等穿透能力；γ射线是一种高能电磁波，没有电荷，穿透能力最强。

核辐射还具有放射性衰变的特点，即原子核在放射过程中会改变自身的组成。

放射性衰变可以分为α衰变、β衰变和γ衰变三种形式，每种衰变形式对应不同的核辐射类型。

核辐射的产生机制核辐射的产生主要有两种方式：放射性衰变和核聚变/核裂变。

放射性衰变是指某些核素原子在放射过程中发出核辐射，以减少其相对不稳定的核子比例，达到更加稳定的状态。

放射性衰变的速率由半衰期决定，半衰期越短，衰变速率越快。

核聚变和核裂变是通过外界的能量输入使得原子核发生变化的过程。

核聚变是指两个轻核聚合成一个更重的核，核裂变是指一个大的核分裂成两个或多个较小的核。

聚变和裂变释放出大量的能量和核辐射。

核辐射与物质的相互作用核辐射与物质之间的相互作用是核辐射物理及探测学中的一个重要研究内容。

核辐射与物质的相互作用方式主要有电离作用和激发作用。

电离作用是指核辐射与物质中的原子或分子作用，使其失去或获取电子，形成带电粒子。

这种作用导致原子或分子的离子化，产生电离辐射。

激发作用是指核辐射能量被传递给物质中的原子或分子，使其电子处于激发状态。

激发态的电子会经过一系列的跃迁过程，放出电磁辐射。

核辐射的电离作用和激发作用对人类和环境都有一定的危害，因此需要开展核辐射监测和防护工作。

核辐射探测技术核辐射探测技术是用于测量和检测核辐射的一系列技术方法和装置。

清华大学工程物理系课程介绍

清华大学工程物理系课程介绍

清华大学工程物理系课程介绍课程号：00320012课程名：世界能源的困境与出路Seek Ways to Solve Energy Crisis学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：贾宝山从利用薪炭燃料跨入到利用化石燃料，导致了人类发展史上的第一次工业革命。

人类精神文明和物质文明的推进对能源需求的高速增长，石油、煤、天然气等不可再生化石燃料的快速消耗及显现出的能源短缺，地球上以争夺石油等资源未背景所发生的战争，向人类敲响了必须从根本上解决能源供应问题的警钟。

什么是化石燃料的可替代能源？水能、太阳能、核能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、海水温差等，哪个是人类能源供应的顶梁柱？人类能否一劳永逸地解决能源供应地问题？这些将作为新生研讨课地主义内容。

课程说明及先修课要求：新生研讨课课程号：00320021课程名：等离子体技术及应用Plasma Technology and Applications学时：16 学分：1 开课院系：工物系开课教师：包成玉李和平等离子体的研究在科学研究领域是一个十分活跃的领域，有着广泛的应用。

课程共分8章。

第一章，概论，内容包括等离子体的基本概念，等离子体的特性，等离子体的分类，等离子体的产生方法和等离子体的主要应用领域简介。

本章由教师主讲。

其余7章均为等离子体应用专题，由学生主讲。

第二章，等离子体在能源科学中的应用（包括磁约束和惯性约束核聚变）；第三章，等离子体在消毒灭菌中的应用；第四章，等离子体在环境治理中的应用（包括汽车和工厂排放的尾气治理，核废料处理）；第五章，等离子体在微纳米材料合成中的应用（包括生物相容性材料和储能材料）；第六章，等离子体在材料表面处理（包括喷涂、表面改性）中的应用。

第七章，等离子体在微电子工业中的应用及等离子体显示技术；第八章，航空航天领域中的等离子体推进技术。

课程号：00320032课程名：等离子体、激光与电子束Plasma,Laser and E-beam学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：蒲以康唐传祥该课程以讨论国内外相关领域前沿进展为主线，采用深入浅出的方式讲述相关物理基本概念和基本试验手段。

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根据：
2z e I E b 2 2 m0v b
2
2 4
b bmax
bmax
ze v
2 m I 0
1/ 2
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
2 4 dE 4πNZz e bmax 对： ln 2 b dx ion m0 v min 代入 bmax 和 bmin ，可得到电离能量损失率为：
z --入射粒子电荷数 v --入射粒子速度
m0为电子静止质量
N--靶物质单位体积的原子数
2m 0 v 2 v2 v2 其中： B Z ln I ln 1 c 2 c 2
靶物质平均等效电离电位 靶物质原子的原子序数
dE S dx
按能量损失作用的不同，能量损失率可分为 “电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。
S S ion S rad dE dE dx ion dx rad
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重 带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
根据：
2z e 2m 0 v 2 E b n
ze 2 2 m0 v
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
bmax 对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子 中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于 其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。 也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级 I的能量。
4πz e NZ 2m0v dE ln 2 I dx ion m0v
2 4
2

1/ 2
4πz 2e 4 NB 2 m0v
2m0v B Z ln I 按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为
2
1/ 2
第六章 射线与物质的相互作用
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
1、重带电粒子与物质相互作用的特点
重带电粒子均为带正电荷的离子； 重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介 质原子电离或激发； 重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。
2、重带电粒子在物质中的能量损失规律
1) 能量损失率(Specific Energy Loss) 指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止 本领(Stopping Power)。
只是：
2m 0 v 2 B Z ln I
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能 量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：
4πz e dE NB 2 m0v dx ion
2 4
能量歧离(Energy Straggling)： 单能粒子穿过一定厚度 的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。
能量歧离是由能量损 失是一个随机过程所 决定的。
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
3、重带电粒子在物质中的射程
S S ion
2) Bethe 公式
dE dx ion
Bethe公式是描写与带电粒子速度v、电荷Z等关系的 经典公式。
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
Bethe公式的推导
公式推导的简化条件：
1) 物质原子的电子可看成是自由的。 (入射粒子的动能远大于电子的结合能) 2) 物质原子的电子可看成是静止的。 (入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度) 3) 碰撞后入射粒子仍按原方向运动。 (碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小 得多,入射粒子方向几乎不变)
本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。 即可使探测介质的原子发生电离的能量。
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
2、射线与物质相互作用的分类
Charged Particulate Radiations Uncharged Radiations Neutrons
Heavy charged particles
(b) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。
(c) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 (d) 带电粒子与核外电子弹性碰撞
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电 子获得能量而引起原子的电离或激发。
电离——核外层电子克服 激发——使核外层电子由低 束缚成为自由电子，原子 能级跃迁到高能级而使原子 处于激发状态，退激发光。 成为正离子。
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
重带电粒子与单个电子的碰撞情况： 电子受到的库仑力：
ze( e ) ze f 2 2 r r
2
fx
m0 , e
r
f
fy
该作用过程的时间为：
M , Ze

v
b 0
x
~ 在 t 时间内，带电粒子传给电子的动量 为： P P f t
P Py
v
x

f y dt

ze b dx ze b dx P Py 3 r v v r 3

2
2
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
由于： r ( x b )
2
2 1/ 2
ze b dx 所以： P ( x 2 b 2 )3 / 2 v
1 dx ( x 2 b 2 )
3
2
令： x btgt
x 2 b 2 b / cos t 则： b dx dt 2 cos t
cos t b 1 2 b 3 cos 2 t dt b 2
2
3
2 2 cos tdt b 2
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
(4) 带电粒子与核外电子的弹性碰撞 受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同 样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能， 但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还 小，电子的能量状态没有变化。
实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。 这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的β粒子 （电子）才需考虑, 其它情况下完全可以忽略掉。
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起 入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，把原 子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。 核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低 速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要 的。但对电子却是引起反散射的主要过程。
, p, d , T , f
Fast electrons
e


X-rays and rays
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
3、弹性碰撞与非弹性碰撞
1 1 1 1 2 2 '2 '2 mv MV mv MV E 2 2 2 2
E 为内能项
E 0 弹性碰撞（即动能守恒）
E 0 非弹性碰撞（即动能不守恒）
E 0 为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基
态的核碰撞，且使核激发；
E 0 为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于
激发态的核碰撞，且使其退激。
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
4、带电粒子在靶物质中的慢化
载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种， 其中前两种是主要的： (a) 电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的 非弹性碰撞过程。
2
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
2 ze 2 碰撞参量为b时，单个电子所得动量为： P bv
碰撞参数为b时，单个电子所得的动能为： 2 2 4 dx P 2z e E b 2m 0 m 0 v 2 b 2 碰撞参数为b的电子数为：
N Z dV N Z (2πb db dx)
( dE ) ion
bmax
bmin
(dE )b ~ b db
bmax
bmin
4πNZz e dx db 2 m0 v b
2 4
dE 4πNZz 2 e 4 2 m0 v dx ion

bmax
bmin
4 πNZz 2 e 4 bmax db ln 2 b m0 v b min
bmax 和 bmin 该如何取值呢？
显然，bmax 不能为“”， 也不能为“0”，否则 bmin (-dE/dx)将为，是不合理的！
6.2 重带电粒子与物质的相互作用
b 对应电子获得最大能量的情况，按 可以容易知道， min 经典碰撞理论，重粒子与电子对心碰撞时，电子将获 2 得最大动能，约为 2m 0 v
当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射 光子损失其能量，称它为辐射损失。 尤其对β粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要 的一种能量损失方式。
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散 射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能 不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离 原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。 弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的 能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得 到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走， 但运动方向被偏转。
6.1 概述
第六章 射线与物质的相互作用
当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶 物质原子电离或激发的方式而损失其能量，称它为电 离损失。