射线与物质的相互作用全解

X射线与物质的相互作用

X射线与物质的相互作用一次就可能损失全部能量或大部分能量，而未与物

质发生相互作用的X射线将保持初始的能量穿过物质，因此用作用截面来描述它与物质的相互作用，作用截面的物理意义是一个光子与单位面积上一个原子发生

作用的几率，它具有面积的量纲。主要作用如下：光电效应，当一个γ 光子与物

质原子中的束缚电子作用时，光子将全部能量交给这个电子，使它脱离原子的束缚而发射出去，而光子本身消失，这个过程称为光电效应。发射出去的电子叫光

电子。如下图：

图1光电效应示意图

原子的内层失掉一个电子后，原子处于激发态，这种状态不稳定，很快通过两种

方式退激。一种是外层电子向内层空位跃迁，并发射特征X射线以释放多余的能量；另一种是多余的能量直接使外层电子从原子中发射出来，这样发射的电子称

为俄歇电子。如下图：

图2光电效应后原子的两种退激方式 康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子把部分能量转移给电子使其从原子内部反冲出来，而能量降低了的光子沿着与原来运动方向不同的角度散射

出去，这个过程称为康普顿散射。康普顿效应示意图如下：

图3康普顿效应示意图

电子对效应：γ 光子可能在原子核的库仑场作用下，转化为一个正电子和一个负

电子，γ 光子本身消失，这种过程称电子对效应。如下图：

图4电子对效应示意图

在常见的能量范围内，如几KeV到十几MeV范围内，X射线与物质的相互作

用主要有：光电效应、康普顿效应和电子对效应这三类过程。这三类效应的反应截面与X射线的能量有关，但在一定的能量区域只有一种效应占优势，这三种主

要的相互作用过程存在着竞争。如下图所示。当光子能量在0.8至4MeV之间时，

无论原子序数Z多少，康普顿效应都占主导地位；在很宽的光子能量范围内，对于低能X射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；中能X射线和原子序

数低的吸收物质，康普顿效应占优势；而对于高能X射线和原子序数高的吸收物

质，电子对效应占优势；如下图所示：

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·

（一）·阿尔法射线与物质相互作用（强电离辐射）

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

1.研究射线与物质相互作用有何意义？

研究射线与物质相互作用，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测、防护、核技术应用等许多领域有着重要的意义。对许多核物理现象的分析。解释，以及在许多实际应用工作中，都要以射线与物质相互作用为基础。深入了解射线与物质相互作用机制和射线穿透物质时发生的现象，对了解各种射线探测器的响应特性和各种材料对射线的阻止作用，以及分析核物理实验测量结果，都是非常有用。

2.带电粒子入射靶物质后，主要通过哪几种碰撞过程而损失能量，请分别予以详细描述。

带电粒子与靶物质的原子相互作用，主要分为以下四种：1）与核外电子发生非弹性碰撞；2）与原子核发生非弹性碰撞；3)与原子核发生弹性碰撞；4）与核外电子发生非弹性碰撞。这些都是库伦相互作用。

（1）带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞

当带电粒子从靶物质原子附近掠过时，入射粒子与靶核外电子之间的库仑力，使电子受到吸引或排斥而得到能量。如果电子获得的能量足够大，电子将脱离原子核的束缚而成为自由电子，该过程为电离。如果电子所获得的能量不足以使其电离，那么电子将从低能级跃迁到高能级状态。电离和激发是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。

（2）带电粒子与原子核的非弹性碰撞

入射带电粒子接近原子核时，受原子核的库伦作用，其速度大小和方向发生改变。这种运动状态的改变伴随着电磁辐射，并使入射粒子的能量有很大的损失。尤其是较轻的带点粒子，这种方式使其能量损失的主要方式，成为辐射损失。

（3）带电粒子与靶原子的弹性碰撞

与非弹性碰撞不同的是，弹性碰撞中带电粒子并不辐射光子，也不激发原子核，只是将动能的一部分转移给原子核，成为原子核的反冲动能。而绝大部分动能仍有入射粒子带走。由这种与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失，被成为弹性能量损失，也叫核阻止。它只有当入射带电粒子能量较低或重离子入射是，对能损的贡献才是最重要的。

（4）带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞

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：

Ie=I0)22cos1(24224CmRe

它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。22cos12称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的

Ie=I0)22cos1(109.72226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。