粒子与物质相互作用
粒子物理学基本粒子的分类与相互作用
粒子物理学基本粒子的分类与相互作用粒子物理学是研究物质的最基本单位——基本粒子以及它们之间的相互作用的学科。
在粒子物理学中，基本粒子按照其性质和行为可以被分为多个不同的类别，同时它们之间的相互作用也起着关键的作用。
一、基本粒子的分类在粒子物理学中，基本粒子可以分为两大类：费米子和玻色子。
1. 费米子：费米子遵循费米-狄拉克统计，具有1/2自旋。
其中，最为著名的费米子就是构成物质的基本构建块的夸克和轻子。
- 夸克：夸克是质子和中子的组成部分，可以分为六个品味（即六种不同的夸克），分别是上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和异夸克。
- 轻子：轻子是构成物质的其他基本构建块，包括电子、中微子和它们的反粒子。
2. 玻色子：玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计，具有整数自旋。
玻色子包括介子和强子，它们是负责传递相互作用力的粒子。
- 介子：介子由夸克和反夸克组成，通过传递强相互作用力而将核子结合在一起。
- 强子：强子通过交换带有强相互作用力的胶子而维持夸克之间的相互作用。
二、基本粒子的相互作用基本粒子之间的相互作用决定了它们在宏观世界中的行为和性质。
1. 强相互作用：强相互作用是负责夸克和胶子之间的相互作用，将夸克组合成介子和强子。
强相互作用是一种非常强大的力，它使得夸克在核内紧密地结合在一起，形成了原子核。
2. 弱相互作用：弱相互作用是负责某些基本粒子之间的相互转化，例如中子衰变成质子、电子和中微子。
弱相互作用还参与了太阳核聚变和放射性衰变等重要过程。
3. 电磁相互作用：电磁相互作用是负责带电粒子之间的相互作用，包括电荷之间的吸引和排斥力，以及电磁波的辐射和吸收等。
电磁相互作用是人们日常生活中最为常见和熟悉的相互作用力。
4. 引力相互作用：引力是负责物质之间的万有引力相互作用，是宇宙中最为普遍存在的相互作用力。
引力相互作用决定了星球之间的运动、行星围绕恒星的轨道、以及行星和卫星之间的相互作用。
总结：粒子物理学将基本粒子按照其自旋和统计行为分为费米子和玻色子两大类。
粒子与物质相互作用-第六章_2_2_2011
cos
2
R B BR , A 0 R0 Rc 1 G
δ或Δ由上式所得到的θ拟合于精确散射积分所得的解析式确定 。 算出θ后就可计算碰撞中的能量转移
Tn E n sin 2
2
及实验室系中的散射角ψ
sin arctg cos M M 1 2
2
第六章
离子射程、射程分布及沟道效应
在物理实验中，一种因素的改变往往不可避免地伴随着 与之相连的别的因素的变化，如离子的核电荷数与质量，因 此就难以直接分别考察这些因素对于所研究的现象的影响。 对于计算机模拟，可以方便地改变一个因素而同时不改变其 他任何因素。另外，有些极端条件是现实物理实验无法实现 的，如绝对零度；或者某些实验条件目前的技术还难以达到 ，如极端高温高压，或者聚变堆中的强辐射条件等，而在计 算机模拟中就比较容易做到。这些特点的综合构成了计算机 模拟的优越性也决定了它的主要用途。
5
第六章
离子射程、射程分布及沟道效应
1、Magic Formula 离子运动过程反复操作的另一步便是与介质的碰撞，对 于考察荷能离子的射程来说，在须计及的原子碰撞事件中的 电子阻止通常可以忽略，因此碰撞被看作是纯弹性的。核碰 撞是模拟计算中需要反复进行计算的过程。与其它程序相比 ，TRIM的一个重大特点就是简化了计算弹性碰撞散射角的方 法，但同时仍保持了足够的计算精度。
粒子探测的基本原理
粒子探测的基本原理粒子探测是一种用于测量和研究微观粒子的技术。
它的基本原理是通过探测器与微观粒子之间发生的相互作用来检测和测量粒子的性质和特性。
这种相互作用可以是粒子与物质的相互作用、粒子与电磁辐射的相互作用以及粒子与其他粒子的相互作用等。
粒子与物质之间的相互作用是粒子探测的基础。
不同种类的粒子与物质的相互作用方式有所不同。
典型的粒子与物质相互作用方式包括：电离、散射、衰变、吸收等。
当一种粒子通过物质时，它将与物质中的原子或分子相互作用，导致原子或分子的电离或激发，从而形成电荷或能量沉积。
通过测量电离电子或能量沉积，我们可以推断出所探测粒子的特性，如电荷、动量、轨迹等。
粒子与电磁辐射的相互作用也是粒子探测的重要方式。
当带电粒子通过物质时，它会与物质中的电子发生库仑相互作用，产生布拉格散射，从而产生闪烁光或荧光光子。
探测器可以通过检测这些光子来确定粒子的性质和径迹。
此外，带电粒子还会在电磁场中受到洛仑兹力的作用，从而在磁场中产生曲线轨迹。
通过测量粒子在磁场中的运动轨迹，可以推断出其电荷和能量。
此外，粒子之间的相互作用也可以用于粒子的探测。
例如，在高能物理实验中，重离子碰撞会产生大量的次级粒子，这些次级粒子可以通过与自己之间的相互作用来检测和测量。
这种相互作用包括散射、衰变、湮灭等。
通过分析次级粒子之间的相互作用特征，可以推断出原始粒子的性质和特性。
实际的粒子探测器通常由探测元件和信号读出系统组成。
探测元件用于与粒子相互作用并生成测量信号，常见的探测元件包括闪烁体、探测器气室、半导体探测器等。
信号读出系统用于提取和测量探测器产生的信号，并将其转换为数据或图形显示。
常见的信号读出系统包括前置放大器、模数转换器、多道分析器等。
总的来说，粒子探测的基本原理是通过探测器与微观粒子之间的相互作用来检测和测量粒子的性质和特性。
这些相互作用可以是粒子与物质的相互作用、粒子与电磁辐射的相互作用以及粒子与其他粒子的相互作用等。
粒子与物质的相互作用
粒子与物质的相互作用一、引言粒子与物质的相互作用是物质世界中一种基本的物理现象。
无论是宏观的物体还是微观的粒子，它们都受到相互作用的影响。
本文将从不同角度介绍粒子与物质的相互作用。
二、电磁力的作用电磁力是粒子与物质之间最常见的相互作用方式之一。
当粒子携带电荷时，它们与周围的电场相互作用。
根据库伦定律，电荷之间的相互作用力与它们之间的距离成反比，与电荷的大小成正比。
这就解释了为什么带电粒子在电场中会受到电力的作用。
磁场也是粒子与物质相互作用的重要因素。
带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，这个力的方向垂直于粒子的速度和磁场的方向。
这种相互作用在电磁感应、电磁波传播等现象中都扮演着重要角色。
三、强力与弱力的作用除了电磁力，强力和弱力也是粒子与物质相互作用的重要力量。
强力是在原子核中起作用的力量，维持着核内的质子和中子的结合。
它是一种非常强大的力量，远超过电磁力的范围。
弱力则是一种相对较弱的力量，主要作用于一些放射性衰变过程中。
这两种力量的相互作用机制十分复杂，需要通过精确的数学描述才能完整解释。
四、引力的作用引力是质量之间的相互作用力。
根据普遍引力定律，两个物体之间的引力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种力量是所有物体都具备的，无论是微观粒子还是宏观物体。
引力决定了物体之间的相互吸引作用，使得星球绕太阳公转、月球围绕地球运动等现象得以产生。
五、弹性力和摩擦力的作用除了上述力量外，弹性力和摩擦力也是粒子与物质相互作用的重要力量。
弹性力是物体在受到外力作用后产生的恢复力，使物体恢复到原始形状或位置。
摩擦力则是两个物体接触时产生的相互阻碍运动的力。
这两种力量在日常生活中随处可见，如弹簧的拉伸和压缩、车辆行驶中的摩擦等。
六、总结粒子与物质的相互作用是物质世界中的基本现象，涉及到电磁力、强力、弱力、引力、弹性力和摩擦力等多种力量。
这些力量共同作用，决定了物质的性质、物体的运动以及各种自然现象的发生。
带电粒子和物质相互作用方式
带电粒子和物质相互作用方式嘿，大家好！今天咱们聊聊带电粒子和物质的那些事儿。
听起来是不是有点高深？别担心，我保证不会让你听得像在读古文，咱们就像喝茶聊天一样轻松。
带电粒子，哦，那可不是什么外星人，咱们生活中随处可见，比如电子。
你想啊，电子就像个调皮的小孩子，总是四处乱跑，没个正形。
它们可不喜欢安静，碰到什么东西就会跟它们互动，哎，真是让人又爱又恨。
这些小家伙一碰到物质，就像小孩子碰到玩具，兴奋得不得了。
想象一下，电子在物质中跑来跑去，碰到原子核，就像在跟一个个大叔打招呼，这些大叔可没那么容易亲近，得小心翼翼。
说到互动，哇，那真是个热闹的场面。
电子和原子之间就像朋友之间的打闹，偶尔也有点小摩擦。
比如，当一个带电粒子接近原子时，可能会把原子的电子吓得四处逃窜，这就像你在学校里看到老师突然走进来，大家瞬间安静了。
哎，这可不止是吓一跳哦，可能还会引发一场“电子大战”。
当电子被撵走了，留下的原子就会变得不稳定，难免有点儿不舒服。
你看，带电粒子不仅仅是跑来跑去那么简单，它们还会放出电磁波，像是发射信号。
就像你跟朋友发消息一样，传递信息。
这种电磁波不仅可以影响周围的物质，还能传递能量，嘿，真是厉害。
就好像在聚会中，有人带来了饮料，大家都乐呵呵的，气氛瞬间活跃起来。
不过，有时候带电粒子跟物质的互动也会让人哭笑不得。
想象一下，电子们不小心闯入了一个“禁区”，它们可就遭殃了，碰到其他粒子或者分子，结果可能就会发生反应，产生新的物质。
这就像朋友之间玩游戏，一不小心搞砸了，结果把整个局势搞得一团糟。
说不定还会制造出一些奇怪的化合物，大家哈哈大笑。
有些粒子还会通过碰撞带走一部分能量。
你想啊，就像你跟朋友打球，你用力一击，球飞出去，你自己反而跌了个跟头，哈哈，这就是能量转移。
物质中有很多“潜规则”，带电粒子进来，总是需要适应，学会如何在这个环境中生存。
而说到这个，辐射可就不能不提了。
带电粒子一旦高速运动起来，跟物质的碰撞可不是开玩笑的，能引起一系列反应，甚至产生辐射，真的是“不可小觑”。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用引言：带电粒子是指具有电荷的微观粒子，例如电子、质子等。
在物质中，带电粒子与其他物质之间会发生相互作用。
这种相互作用是物质世界中一种重要的基本现象，对于我们理解和应用自然界具有重要意义。
本文将从带电粒子与物质的相互作用的基本原理、类型和应用等方面进行阐述。
一、基本原理带电粒子与物质的相互作用遵循电磁相互作用力。
根据库仑定律，带电粒子之间的相互作用力与它们之间的电荷量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种相互作用力可以是吸引力，也可以是排斥力，取决于带电粒子之间的电荷性质。
二、类型1. 静电作用：带电粒子与物质之间的相互作用可以表现为静电作用。
当带电粒子靠近物质时，它们之间会发生电荷的转移或者重排，导致电荷的分布发生变化，从而产生静电力。
这种作用在电荷不移动的情况下发生，例如静电吸附、静电排斥等。
2. 磁场作用：带电粒子的运动会产生磁场，而物质对磁场也会产生响应。
当带电粒子通过物质时，物质中的电荷会受到磁场力的作用，并产生相应的运动或变化。
这种作用可以用于磁共振成像、磁性材料的制备等。
3. 电流作用：带电粒子在物质中运动时，会与物质中的电荷发生相互作用。
当带电粒子通过物质时，会产生电流，而电流会产生磁场。
这种作用可以用于电子输运、电磁感应等。
4. 能量转移：带电粒子与物质之间的相互作用还可以导致能量的转移。
当带电粒子与物质发生碰撞或相互作用时，它们之间的能量会发生转移，从而改变物质的性质或状态。
例如带电粒子的辐射与物质的相互作用会导致能量的转移，产生辐射损失。
三、应用带电粒子与物质的相互作用在科学研究和技术应用中具有广泛的应用价值。
1. 粒子加速器：粒子加速器利用带电粒子与物质之间的相互作用，通过电场或磁场加速带电粒子的运动。
这种技术被广泛应用于高能物理实验、核物理研究等领域。
2. 材料表征：带电粒子与物质的相互作用可以用于材料的表征。
例如扫描电子显微镜（SEM）利用电子与物质的相互作用，观察和分析材料的表面形貌和成分。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用在物理学中，带电粒子与物质之间的相互作用是一个重要的研究领域。
带电粒子指的是带有电荷的基本粒子，如电子、质子等，而物质则包括了构成我们周围世界的一切物质实体。
这两者之间的相互作用机制不仅对于理解物质的性质和行为具有重要意义，也为各种应用提供了基础。
一、静电作用最基本的带电粒子与物质的相互作用是静电作用。
当两个物体中的带电粒子之间存在电荷差异时，它们会产生静电力的相互作用。
根据库仑定律，两个电荷之间的静电力与电荷的大小成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
这种相互作用可以导致物体的吸附、斥力、电荷传递等现象。
静电作用在日常生活中也经常出现，比如我们身体摩擦后产生的静电电荷可以使身体与物体发生吸引或者排斥的现象。
在工业中，静电作用也是一种重要的物料处理技术，例如静电吸附、静电喷涂等。
二、电磁作用电磁作用是带电粒子与物质之间更加复杂的相互作用方式。
它包括两个方面，一方面是带电粒子在物质中受到的电场力的作用，另一方面是带电粒子的运动状态对物质电磁性质的影响。
对于带电粒子在电场中的相互作用，根据库仑定律和电场叠加原理，可以得到带电粒子在电场中所受到的电场力大小和方向。
这种相互作用广泛应用于电子学和电路中，例如电荷在电场中的偏转、电势差引起的电子流等。
带电粒子对物质电磁性质的影响则涉及到材料的导电性、磁性等方面。
带电粒子的运动会在物质中引起电流，进而改变物质的导电性质。
而当带电粒子的运动速度接近光速时，还会产生磁场效应，即洛伦兹力。
这些现象在电磁学、材料科学等研究中有着广泛的应用。
三、辐射作用带电粒子与物质相互作用的另一种重要方式是辐射作用。
当带电粒子在物质中运动时，会释放出能量并产生辐射，例如电子在物质中的电离和俄歇效应。
辐射作用在核物理、粒子物理等领域中具有重要意义。
例如，在医学上，正电子发射断层成像（PET）技术利用正电子与物质相互作用产生的辐射进行人体成像；在核反应中，粒子与原子核的相互作用可以产生高能粒子和辐射。
物理学中的基本粒子和相互作用
物理学中的基本粒子和相互作用物理学是一门研究自然界基本规律的科学，其探索的对象不仅包括我们所熟知的广义相对论和量子力学，还包括更为微观的基本粒子和相互作用力。
在物理学的世界中，基本粒子是构成物质的基本单位，而相互作用则决定了基本粒子之间的相互关系和运动方式。
基本粒子的分类根据最基础的粒子性质，物理学家将基本粒子分类为两大类：玻色子和费米子。
玻色子的一个典型例子就是光子，它是电磁力的传播媒介。
而费米子则包括夸克和轻子等元素粒子，它们具有不同的自旋数值和电荷性质以及处于不同的状态中。
夸克是我们所知道的最基本的元素粒子之一，它们包括6种类型：上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、奇异夸克和粲夸克。
轻子则包括电子、中微子和光子等，它们都是非零自旋的粒子。
在这些基本粒子之间，存在着许多不同的相互作用。
相互作用的分类在物理学中，相互作用可以简单地定义为粒子之间的相互作用力。
这些相互作用力包括强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用等。
强相互作用是一种在原子的核内发生的作用力，它是由夸克相互作用而产生的。
这种作用力非常强，可以维持核内质子和中子的粘合，使得原子核变得比基本粒子更加稳定。
但是，由于强相互作用的特殊性质，研究它非常困难。
另一方面，电磁相互作用是最为熟知和常见的相互作用之一。
它是由电子和电荷粒子相互作用而产生的，包括静电相互作用和磁效应等。
在我们日常生活中，电磁相互作用在各种电子设备、电力系统和光学系统中都起着至关重要的作用。
弱相互作用是一种很罕见的相互作用模式，它包括β衰变、中微子产生和反中微子产生等。
这种力量非常微小，远远不及强相互作用和引力相互作用，但它在核反应和星体演化中仍然具有相当重要的地位。
最后，引力相互作用是由质量引力引起的力量。
虽然它是最弱的相互作用之一，但它却是宇宙的性质，能够维持星系和黑洞等宇宙结构的稳定。
随着人类对空间和物质的认识逐渐深入，引力相互作用也成为了物理学研究中的重要领域。
粒子与物质相互作用-第一章_2011
32
第一章 引言
Proton Irradiation Facility at U of Michigan
33
第一章 引言
34
第一章 引言
35
MeV He irrad.
第一章 引言
High dpa irrad.
2*6 MV Tandem
H/He/HI co-irrad. Chamber
4.5 MV Van de Graaff
Jiali Li, et al. / Nature,2001,Vol. 412(12)
Z. Siwy, et al. Phys. Rev. Lett, 2002 Mara A, et al. Nano Lett, 2004
A. J. STORM, et al./Nature Materials,221003, Vol. 2
第一章 引言
nature materials | VOL 2 | AUGUST
2003 |
22
第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 12, 2718(2006)
24
第一章 引言
Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 17, 2003
25
第一章 引言
在向物质世界更深层次进军的同时，核物理学家同其它领域的 科学家们结合起来，利用核物理的知识及加速器这一工具，向原子分 子物理、固体物理以及材料、能源、化学、生物学和医学等方面渗透 与发展。这不仅大大促进了这些学科的发展和进化，也形成了一些生 命力很强的交叉学科。
3
第一章 引言
例如：
材料科学：半导体注入及光刻、载能束（离子束、电子束、X射线/同步辐射、 中子源）材料分析、金属（陶瓷、高聚物等）材料改性、核材料辐照损伤、纳 米材料及结构制备。 航天：单离子翻转、位移电流、电荷积累。 化学：离子/电子/光子束高分子接枝、电子/光子束辐照（固化、消毒）等。 环境：电子束辐照脱硫脱硝等。环境样品检测（AMS、PIXE）。 农业：载能束诱变育种等。 医学：诊断与检测；常规放疗及质子、重离子治癌等。微量元素分析。 地学：测年（AMS、裂变径迹）。 考古：测年（AMS）。 ……
粒子物理学中的粒子间相互作用
粒子物理学中的粒子间相互作用粒子物理学研究微观世界中最基本的构成单位——粒子，以及它们之间的相互作用。
这些相互作用在自然界中发挥着至关重要的作用，影响着物质的性质和宇宙的演化。
本文将重点探讨粒子物理学中的粒子间相互作用的基本原理和主要类型。
1. 相互作用的基本概念在粒子物理学中，相互作用指的是粒子之间通过某种力来影响彼此运动和性质的过程。
这种力的传递可以通过粒子之间的直接相互作用或介质传递实现。
相互作用的强度与距离有关，通常随着距离的增加而减弱。
2. 强相互作用强相互作用是粒子物理学中最基本也是最强大的相互作用力之一，它负责维持原子核的结构和稳定性。
强相互作用的传递介质是胶子，因此也被称为胶运动。
它使得质子和中子之间紧密结合，形成稳定的原子核。
3. 弱相互作用弱相互作用是粒子物理学中的重要力量之一，它解释了一些基本粒子的衰变过程，例如，中子的衰变成质子和电子。
弱相互作用的传递介质是W和Z玻色子，它们具有较大的质量。
相对于强相互作用，弱相互作用强度较弱，因此在某些情况下可以被忽略。
4. 电磁相互作用电磁相互作用是最为熟知和常见的相互作用之一，它描述了带电粒子之间的相互作用。
电磁相互作用的传递介质是光子，无质量且速度恒定。
这种相互作用决定了原子、分子和凝聚态物质的性质，也构成了电磁波的基础。
5. 引力相互作用引力相互作用是广义相对论的基础，描述了由质量引起的相互吸引力。
这种相互作用作用于所有物质，其强度与物体质量的大小成正比。
引力的传递介质是引力子，虽然尚未被发现，但理论上表示引力的一种粒子。
6. 超越标准模型的相互作用尽管标准模型成功地描述了粒子物理学中已知粒子的相互作用，但它并不能完全解释所有现象。
相反，一些超越标准模型的理论提出了新的相互作用力，例如弦理论中的额外维度导致了额外相互作用的存在。
总结：粒子物理学中的相互作用是研究微观世界的重要方面。
强相互作用维持了原子核的结构和稳定性，弱相互作用解释了一些基本粒子的衰变过程，电磁相互作用决定了物质的性质，引力相互作用是描述质量引起的相互吸引力的基础。
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电子的轫致辐射能损 dE Z (Z 1) 2 183 4N A re En 1/ 3 E>>mec2/αZ1/3 A Z dx 轫致
2015-3-23 粒子探测 19
辐射长度X0： X 0
dE E dx X 0
X0
则
A 2 [ g / cm ] 2 1/ 3 4N A Z ( Z 1)re n(183/ Z )
2015-3-23 粒子探测 15
二、带电粒子通过介质时的多次库仑散射
库仑散射当入射粒子与介质原子的最近距离小于原子半径 (10-8cm)时，受介质原子核库仑场作用，运动轨迹发生偏转， 这种现象称为库仑散射。 Rutherford散射公式
对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发生 多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，粒 子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效 2015-3-23 粒子探测 16 果。
dE dx 大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，
2015-3-23
粒子探测
5
Bethe-Bloch formula
Energy transfer: I dE Tmax , I: mean excitation potential I~I0Z, I0=10eV 2015-3-23 粒子探测 Relativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by “density effect”. Parametrized by Fermi plateau
13.6 x x z 1 0.038 n cp X0 X0
进一步简化，
rms plane
13.6 cp
x X0
rms space
2
rms plane
19.2 cp
x X0
要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬 托、支架和屏蔽室的内层材料。
6
Interaction of charge particles
Particles can only be detected if they deposit energy in matter. How do they lose energy in matter?
classical
2015-3-23
2015-3-23
粒子探测
20
临界能量Ec：电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。
Rossi定义：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而 损失的能量。
dE dE ( Ec ) ( Ec ) dx 电离 dx 轫致
ห้องสมุดไป่ตู้
多次库仑散射的分布可以由Molliere理论描述。理论证 明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏 转为Rutherford散射。
2015-3-23
粒子探测
17
经验公式
rms plane
2 plane
P入射粒子动量, 单位MeV/c；X0介质的辐射长度, x/X0以辐射长度为单位的介质厚度。
•
根据粒子的带电性质分类 带电粒子：、p、e±、±、±、±等
•
•
电磁辐射：x射线、射线
中性粒子：n、0、0、等
粒子探测 2
2015-3-23
一、带电粒子电离和激发损失能量
1. 电离和激发
入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失 能量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克 服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就 是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳 层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补， 同时放出特征X射线或俄歇电子。 当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由 电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激 发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到 基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发 射出来。
2
粒子探测 12
子在硅中的Bethe-Bloch能损以及两个不同截断能量下的能损
考虑密度效应后，电离和激发能损随能量增加趋于饱和——费米坪
2015-3-23 粒子探测 13
小结
1）公式不包含入射粒子质量，即电离损失与入射粒子质量无关。
电荷和速度相同的粒子在同一种物质中电离损失相同。
2）电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。
布很不对称，在能量大的区域有
很长的尾巴——朗道分布。
2015-3-23
粒子探测
9
朗道分布
L 1 1 exp e 2 2
实际能损
最概然能损
E p
与最概然能损之间的偏差
2me c 2 2 2 p ln ln j 2 I I
max kin
E2 E 11
p2 2 E m c 对电子， Tmax e me E / c 2
粒子探测 4
2. 带电粒子能量的电离损失
电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致 原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。 电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损 失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称 dE 为该物质对这种粒子的阻止本领，用 表示。 dx 即该粒子通过单位长度物质损失的能量较多，即该 物质对这种粒子的阻止本领大。
716.4 A [ g / cm2 ] Z ( Z 1)n(287/ Z )
经验公式
初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)的介质后的平 x 均能量为:
E E0e
X0
当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量 减低到初始能量的1/e，称X0为介质的辐射长度。 当介质为化合物或混合物时，有： 1 wi X0 i Xi Xi第i种成分的辐射长度，wi第i种成分的权重因子，重量 百分比。
j=0.2，ξ=(K/2)z2(Z/A)(x/β2)MeV，x单位g/cm2 能损分布中对应最大概率处的能损
薄层吸收体中能量损失的分布
2015-3-23 粒子探测 10
电子
入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰撞而击出能量很高 的电子，它可以继续与其他介质原子相互作用产生次级电离。 δ电子产生的概率很小，其能谱表达式
第二章 粒子探测的物理基础
§2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用 §2-4 高能粒子和物质作用与簇射
2015-3-23
粒子探测
1
§2-1 带电粒子和物质的相互作用
粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互 作用才能被探测。粒子探测主要是指 记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、 动量、飞行方向等）。
2015-3-23 粒子探测 18
三、 轫致辐射（Bremsstrahlung）
轫致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子
半径~10-8cm小，而又比核半径~10-13cm大时，在核库仑 场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并 伴随弱的电磁辐射。
轫致辐射能量损耗
平均能量损失
dE dx 轫致 Z ( Z 1) 2 1 e 2 183 4N A z E n 1/ 3 4 m c2 A Z 0
3）电离损失与粒子速度有关，在 0.01 0.05 区间，目前尚无 令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。
4）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度相当 时，公式不再适用。当粒子运动速度 z 103 (为精细 结构常数)时，能损正比于。例慢速质子在硅中的能损为
dE GeV 61.2 dx g cm2
5）对 z ，Bethe-Bloch公式均可适用。 在非相对论性速度 时，能损与速度平方成反比。
2015-3-23 粒子探测 14
6）随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当1， 电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值区域 最低点在~3－4附近，且与介质无关。大多数相对论性粒 子的能量损失与这个最低点的值很接近。称最小值处的能量 损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称为最小电离 粒子(Minimum Ionizing Particles或MIP)。 7）在>4后，能量损失又开始缓慢上升，称作相对论上升。 8）随着能量继续增加，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽效 应，能量损失趋于饱和，物质中沉积的能量接近一个常数， 称作费米坪。 9）当粒子能量很高时，轫致辐射能量损失开始起重要作用。
粒子探测 3
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激发过程： q atom atom q atom 退激发原子放出低能荧光光子
电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量 p mv m0 c 洛仑兹因子 E / m c2
0
一次散射传递给静止电子的最大动能
2me c 2 2 2 2me p 2 Tmax 2 2 1 2me / m0 (me / m0 ) 2 m0 me 2me E / c 2
低能时，2me/m0<<1，若me<m0，近似有
Tmax 2mec 2 2 2
p2 对其他粒子，任意能量，分母中的平方项均可忽略，Tmax 2 m0 m0 / 2me
对相对论粒子，Ekin E，pc E 对轻子，E
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