2射线和物质的相互作用

第一章射线与物质的相互作用

1.不同射线在同一物质中的射程问题

如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d（氘核）与t（氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？

解：P12”利用Bethe公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。”根据公式：)()(22vRMMvRbabbaaZZ，可求出。

步骤：1先求其初速度。

2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。

3带入公式。

2：阻止时间计算：

请估算4MeVα粒子在硅中的阻止时间。已知4MeVα粒子的射程为17.8μm。

解：解：由题意得 4MeV粒子在硅中的射程为17.8um

由T≌1.2×107REMa，Ma=4得

T≌1.2×107×17.8×106×44s

＝2.136×1012s

3：能量损失率计算

课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。代参数入求解。

第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：

()20822.34700700()radiondEEZdxdEdx

4光电子能量：

光电子能量：（带入BK）

康普顿反冲电子能量：

200.511mcMev iehvE220200(1cos)2.04(1cos20)4.16160.060.3947(1cos)0.5112.04(1cos20)0.5112.040.06ErEeMevmcEr5:Y射线束的吸收

解：由题意可得线性吸收系数10.6cm，311.2/pbgcm

12220.65.3610/11.2/mpbcmcmggcm质量吸收系数

2电离辐射与物质的相互作用

电离辐射是指能够将物质中的原子或分子转化为带正电或负电离子的辐射。这种辐射可以是电子、质子、中子、X射线、γ射线等。当这些带电粒子通过物质时，它们与物质发生相互作用，引起原子或分子的电离和激发。这种相互作用的过程对于理解电离辐射的性质和应用非常重要。

在物质中，重带电粒子与原子核和电子发生相互作用。对于比较重的带正电粒子（如质子和α粒子），主要的相互作用是库仑碰撞和电子抛出。库仑碰撞是指带正电粒子与原子核进行相互作用，通过库仑力来改变粒子的方向和动能。这种碰撞过程会造成原子核的激发和电离，而带正电粒子的电荷得到补偿后继续前进。电子的抛出是指带正电粒子与电子进行相互作用，由于带正电粒子的高能量和靠近距离，会导致电子从原子轨道中被脱离，形成正电离子。

对于带负电粒子（如电子），主要的相互作用是库仑碰撞和电离碰撞。库仑碰撞是指带负电粒子与原子核进行相互作用，通过库仑力来改变粒子的方向和动能。不同于质子和α粒子，电子与原子核的库仑碰撞能导致电子的散射和损失能量，而不会引起原子核的激发和电离。电离碰撞是指带负电粒子与原子中的电子进行相互作用，由于电荷的相反和靠近距离，电子会被带负电粒子的高能量电流所激发和抛出，形成自由电子和正电离子。

总体而言，电离辐射与物质的相互作用是一个复杂的过程，它涉及到带电粒子的能量、动量、电荷和质量等因素，以及物质中原子和分子的结构和特性。这种相互作用的结果包括电子的激发、电离和损失能量，原子和分子的电离、激发和捕获，以及辐射的发射和吸收等。 电离辐射与物质的相互作用在许多领域具有重要的应用价值。在核能产生和放射治疗中，电离辐射的相互作用被用于能量的释放和损伤的产生。在材料科学和半导体工业中，电离辐射被用于改变材料的物理和化学性质。在空间探测和核物理研究中，电离辐射的相互作用被用于探测和测量粒子的能量和性质。

总之，电离辐射与物质的相互作用是一门复杂而有趣的科学。通过对这种相互作用的研究，我们可以深入理解电离辐射的性质和行为，为相关领域的应用和进一步的研究提供基础和指导。

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

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。